1. Основные понятия и краткая история.

Измерять человечество начало очень давно. Уже первобытным людям необходимо было знать размеры территории, на которой может охотиться племя, количество добытой на охоте пищи, время в течение которого эта пища будет съедена и т.д.

В цивилизованные времена появились приборы и инструменты для измерения размеров тел, их массы, времени протекания процессов и прочее.

Конечно, с современных позиций многие из таких приборов выглядят примитивно, хотя и применяются до сих пор. Например, песочные или водяные часы, в которых время почти натурально течет. Устарели и многие единицы измерений и на смену им пришли новые.

Итак, жизнь людей практически постоянно связана с применением физических величин. Физической величиной называется характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, физического тела, вещества, поля или информационного процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Например, длина и масса – физические величины, в качественном отношении общие для всех тел. Но если сравнить длину муравья (» 3 мм) с длиной земного экватора (» 4×10⁴ км или 4×10¹⁰ мм), то количественные различия очевидны. То же относится к значениям массы муравья (»1 г) и земного шара (» 6×10²⁷ г).

При характеристике параметров муравья и Земли (и любых других тел) использованы «единицы измерения физических величин»: километр, миллиметр, килограмм, грамм; этот перечень можно продолжать до бесконечности. Единицей определенной физической величины называется значение физической величины, которое по определению считается равным единице. Например, длина определенного отрезка выбрана в качестве единицы длины. Тогда, если на длине какого-то предмета выбранный в качестве единицы длины отрезок укладывается 2,3 раза, то длина измеряемого предмета равна 2,3 единиц длины.

Но единица любой физической величины должна иметь некоторое вещественное (приборное) воплощение, или то, что мы называем эталоном (от франц. etalon – образец). Эталон - образцовая мера или измерительный прибор, служащий для воспроизведения, хранения и передачи единиц измерения какой-либо величины с наивысшей достижимой точностью.

По дошедшим до наших дней сведениям пять тысяч лет назад в Египте уже применялись довольно точно установленные и узаконенные единицы длины, площади, веса, без использования которых невозможно было строительство ирригационных систем, храмов и дворцов, гигантских пирамид.

Почти два тысячелетия до Р.Х. в Передней Азии получила широкое распространение шумерско-вавилонская система мер и весов. В Греции с VI в до Р.Х., затем в Риме, при сооружении храмов, строительстве дорог, водопроводов также использовались сравнительно точно установленные единицы длины и веса. Русские летописные и другие источники содержат довольно подробные сведения о мерах и весах, имевших хождение на Руси с XI по XVII в. в. Имеется много данных о мусульманских мерах и весах, применявшихся с VIII в.

Несмотря на то, что география происхождения различных мер и их названий была очень широкой, многие единицы измерений у разных народов оказались очень похожими. Это связано с тем, что при выборе этих единиц пользовались во многих случаях одним и тем же источником – размерами человеческого тела. Так появился дюйм – ширина большого пальца, локоть – длина руки от локтя до кончика пальцев, фут – длина ступни, миля – тысяча двойных шагов и многие, многие другие.

Естественно, что для обозначения одних и тех же величин названия применялись разные. Так в России была единица длины «сажень», в Средней Азии «кулач» в некоторых арабских странах «ба, кама». Но все эти названия обозначали одно и тоже – расстояние между концами пальцев вытянутых в стороны рук.

Но ведь не зря говорят, что всяк меряет на свой аршин. Поэтому, когда стали налаживаться торговые, политические и прочие связи между городами, странами и континентами, возникла необходимость «унифицировать» аршины, дюймы, футы, фунты и т.п.

Так в Голландии в 1324 г установили «законный дюйм», равный длине трех ячменных зерен, вынутых из средней части колоса и приставленных друг к другу своими концами.

Здесь важно отметить, что такое определение законного дюйма устраняло «субъективизм» этой единицы измерения (ведь у всех людей пальцы несколько отличаются по ширине). Законный дюйм становился и достаточно стабильным, потому что отождествлялся размером зерен определенного злака, вынутых из той части колоса, где их размеры примерно одинаковы, и положенных определенным образом.

Фут (длина ступни) в Англии определялся как средняя длина ступни 16 человек, выходящих после воскресной службы из храма.

Были и курьезные с современных позиций эталоны. Так ярд, т.е. расстояние от кончика носа до кончиков пальцев вытянутой руки, признавался законным только как указанное выше расстояние у римско-германского императора Генриха IV (XII век).

Все эти своеобразные эталоны и единицы измерения были, с современной точки зрения, весьма неудобны. У них была низкая точность, они не были достаточно стабильны во времени, а соотношение между разными единицами были весьма сложными (1 фут= 6 вершка = 12 дюймов; 1 миля = 7 верст; 1 верста = 500 саженей и т.п.) Рано или поздно ситуация должна была изменится.

В 1670 г. лионский астроном Габриэль Мутон посоветовал в качестве единицы длины взять длину дуги меридиана в одну минуту дуги. Такой подход к определению единицы длины делал ее стабильной во времени и одинаковой у разных народов. В России для урегулирования мер в 1736 г. была создана комиссия во главе с графом Головкиным, но осуществлению планов этой комиссии помешал дворцовый переворот. В 1789 г торгово-промышленные круги Франции обратились к правительству петицией об установлении единой для всей страны мер. Французский астроном и математик Пьер Лаплас предложил в качестве единицы длины взять одну десятимиллионную часть четверти длины Парижского меридиана.

В 1792 г экспедиция под руководством академиков Мешена и Деламбру начала измерение длины Парижского меридиана от Дюнкерка (Бельгия) до Барселоны (Испания) и далее до острова Фармонтеры в Средиземном море. Условия работы экспедиции были поистинно драматическими. Кроме естественных преград (горы, водоемы, реки и т.д.), были еще преграды политического характера. Так, Испания в этот период времени находилась в состоянии войны с Францией, поэтому французов с их «непонятным» оборудованием не раз принимали за шпионов со всеми вытекающими последствиями.

Но все же через 6 лет после начала работа экспедиции была благополучно завершена и по ее результатам был изготовлен эталон из сплава платины и иридия (Pt-Ir), на котором были програвированы тончайшие линии. Расстояние между этими линиями точно соответствовало доле длины Парижского меридиана, и было названо метром.

Впервые слово «метр» (от греч.metrom – мера) появилось в работе Тита Буратини в 1675 г.

Был также утвержден эталон килограмма. За один килограмм была принята масса воды из реки Сены объемом 1 л при температуре 4 °С (при этой температуре вода имеет максимальную плотность).

В России в 1869 г была создана комиссия в составе физика Б.С. Якоби, химика Д. И. Менделеева, астронома О. В. Струве, которая должна была изучить вопрос об изготовлении прототипов мер метрической системы.

В 1875 г в Париже представители 17 государств, в т.ч. России, подписали конвенцию о признании системы мер, названной метрической, в качестве международной. К 1889 г было изготовлено 34 эталона метра и 43 металлических эталона килограмма. Россия получила эталоны метра под номерами 11 и 28 и килограмма - 12.

Однако, к этому, времени вследствие совершенствования методов измерений и требований к эталонам (уже приходилось учитывать ширину «волосяных» линий на эталоне метра), стало ясно, что Парижский эталон и, соответственно, его копии не соответствуют точно доле Парижского меридиана. Было решено эталон оставить прежним. Но теперь он не был жестко связан с длиной меридиана, то есть стал существовать «сам по себе».

В дальнейшем размеры земного шара неоднократно уточнялись. Особенно после начала запусков искусственных спутников Земли. Но размер метра не менялся.

Однако сильно изменился сам эталон. Линейка из платины и иридия с «засечками» на ней через полтора века после ее изготовления уже не удовлетворяла возросшим требованиям точности и надежности. Поэтому был создан (1960 г) новый эталон метра. Сам метр при этом не изменился, но воспроизводился он с помощью газоразрядной лампы, заполненной аргоном – 86 ( Ar). По сравнению со предыдущим эталоном точность сравнения увеличилась почти на порядок и относительная погрешность достигла миллионных долей (3×10^-8). Использование для воспроизведения эталона метра излучения лазера позволило уменьшить погрешность до 10^-10.

Современное определение метра, принятое на XVII Генеральной конференции по мерам и весам в 1983 г, следующее. Метр – длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 секунды. Напомним, что 299792458 м/с точное значение скорости света в вакууме.