Методички 3-й курс 1-й семестр / ДЛЯ ТЕХ КТО МЕТРОЛОГИЮ ЗАВАЛИЛ / sergeev_a_g_metrologiya_istoriya_sovremennost_p

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

гии своих жрецов должностное лицо, в обязанности которого входило знать все меры и хранить их первичные образцы. У римлян эталоны законных мер были помещены в храме Юпитера на Тарпейской скале. На Руси церковные храмы были своего рода общественными центрами. Их строили на площадях, где велась крупная торговля. Во многие помещения храмов посторонние лица не допускались, поэтому храмы являлись наиболее надежными местами для хранения ценного имущества, в том числе общественных мер и весов» [1].

Важнейшим метрологическим документом является Двинская грамота Ивана Грозного (1550), в которой регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих тел – осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям – старостам, сотским, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, – деревянные копии для использования в обиходе. Образцовые меры, с которых снимались первые копии, хранились централизованно в приказах Московского государства. Таким образом, можно говорить о начале создания при Иване Грозном государственной системы обеспечения единства измерений и государственной метрологической службы.

Развитие торговли и расширение внешних экономических связей требовали не только уточнения мер, но и установления их соотношения с «заморскими», а также унификации мер и более четкой организации контрольно-поверочной деятельности. Еще в договоре Великого Новгорода с немецкими городами и Готландом (1269) наряду со взаимными обязательствами приведены соотношения между мерами договаривающихся сторон. Статьи Соборного уложения 1649 г., Таможенного устава 1653 г., Новоторгового устава 1667 г. и других документов установили соответствие различных весов фунту и размер сажени.

Московские указы, касающиеся введения единых мер в стране, отсылались на места вместе с образцами казенных мер. За злоумышленную порчу контрольных мер грозило наказание – вплоть до смертной казни. Работу по надзору за мерами и их поверку проводили два столичных учреждения: Померная изба и Большая тамож-

54

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

ня. Они же разрешали конфликты, возникавшие при торговых операциях. В провинции надзор был поручен персоналу воеводских и земских изб, а также старостам, целовальникам и другим «верным людям».

Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении, – футы, дюймы. Широко известное название «топна» происходит от английского слово tun – бочка. Для облегчения вычислений были изданы таблицы мер и соотношений между русскими и иностранными мерами. Начинают выделяться некоторые метрологические центры. Ком- мерц-коллегия занялась вопросами единства мер и метрологического обслуживания в области торговли. Адмиралтейств-коллегия заботилась о правильном применении угломерных приборов, компасов

èсоответствующих мер. Мерг-коллегия опекала измерительное хозяйство горных заводов, рудников и монетных дворов. Основанная в 1725 г. Петербургская академия наук занялась воспроизведением угловых единиц, единиц времени и температуры. Она имела в своем распоряжении образцовые меры и копии эталонов туаза и фунта. Назревала необходимость создания в стране единого руководящего метрологического центра.

Â1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов

èмер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В каче- стве исходных мер длины комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру жидких тел приняла ведро московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание русского эталонного фунта. Работы начались в 1736 г. и завершились в 1747 г. изготовлением бронзовой золоченой гири, узаконенной в качестве первичного образца (государственного эталона) русских мер веса. Этот фунт почти 100 лет оставался единственным эталоном в стране.

Âкомиссии рассматривались, но из-за отсутствия денежных средств и специалистов не были осуществлены проекты создания системы мер, основанной на физических постоянных (определение сажени через длину меридиана Земли, фунта – через вес определен-

55

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

ного количества чистой воды), введения десятичной системы образования кратных и дольных единиц и др. Эти прогрессивные идеи получали в Европе в ту пору все большее распространение.

Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII в. Во Франции, где феодалы имели право пользоваться своими собственными мерами, содержать таможни и собирать пошлину, вопрос о рациональной системе мер стоял особо остро. Однако понадобились революция, взлет творческой активности народа, чтобы идея пробила дорогу.

Ломка политических и социальных структур страны в результате Великой французской революции 1789 г. привела к критическому анализу недостатков принятых во Франции системы мер и весов, календарного летосчисления, монетной системы. Среди качеств, которыми должны были обладать меры массы и длины, на первый план вышли неизменность во времени, практичность, универсальность, доступность, простота образования кратных, дольных и производных единиц, а главное – применимость системы в масштабах не только одной страны, но и всего мира. Была выдвинута идея, что единицы измерения должны быть связаны с окружающей природой

èне зависеть от человека.

Âмарте 1790 г. Шарль Морис де Талейран, епископ Отунский, депутат от духовенства в Национальной ассамблее, представил на сессии ассамблеи предложения по унификации мер и весов. Он высказался за то, чтобы в качестве единицы длины была принята длина секундного маятника. Идея была высказана еще в 1664 г. нидерландским ученым и изобретателем Христианом Гюйгенсом (1629–1695), посвятившим созданию и усовершенствованию маятниковых часов почти 40 лет и считавшим это главным делом своей жизни. Он писал: «...я нашел легкий и удобный способ регулировки часов. К этому, однако, присоединяется то, что я считаю еще более ценным, а именно: благодаря своему открытию я смог дать абсолютно устойчивое определение для постоянной, верной для всех времен меры длины» [20]. Речь идет об использовании свойства изохронности колебаний математического маятника, подмеченного Галилеем в 1583 г. При малых отклонениях период колебаний

56

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

T = 2π L / g ,

где L – длина маятника; g – ускорение свободного падения. Это позволяет выразить меру длины через естественную меру времени. Кстати, в 1824 г. в Англии был принят закон, установивший единицу длины ярд через длину секундного маятника.

Национальное собрание Франции приняло решение о необходимости ликвидации «странного и обременительного многообразия мер» и поручило 8 мая 1790 г. Французской академии наук разработать применимую во всем мире систему мер и весов. Обсуждалось использование трех естественных основ для определения единицы длины: 1) длины маятника с периодом колебаний 1 с (период колебаний математического маятника T = 2π L / g зависит только от его длины); 2) длины одной четвертой части экватора Земли; 3) длины одной четвертой меридиональной окружности Земли. Первое из этих предположений наталкивалось на ту трудность, что прежде следовало установить воспроизводимую единицу времени (которую тогда еще было невозможно реализовать с требуемой степенью точ- ности), и к тому же ускорение силы тяжести g зависит от положения маятника на поверхности Земли. Второе предположение было отвергнуто ввиду трудной доступности измерения длины экватора. Поэтому остановились на третьем варианте.

Одновременно было направлено обращение к Британскому королевскому обществу о совместном обсуждении выбора естественных мер длины и массы. Предложение не было принято. Тогда Академия наук Франции создала две комиссии: по десятичному исчислению мер, весов и монет и по выбору единицы длины. Во вторую комиссию входили светила науки того времени: Ж. Лагранж, П. де Лаплас, Ж. Борда и многие другие. Они склонились в пользу варианта использования длины четверти земного меридиана в качестве основной меры для определения единицы длины. Одна десятимиллионная доля этой естественной базы в 1791 г. была названа метром.

Комиссия предложила провести экспериментальное измерение длины меридиана по длине дуги от Дюнкерка до Барселоны. Экспериментальную группу возглавили Ж. Деламбр и П. Мешен. Группе других ученых было поручено измерить массу воды известного

57

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

объема для определения на этой основе единицы массы, которой первоначально было дано наименование «грава».

Таким образом увязывались между собой через константу, которая в тот период представлялась естественной и стабильной (т. е. через плотность воды), единицы длины и массы. При этом объем воды, принятый за единицу массы, был назван пинтой и был предложен в качестве единицы объема с числовым значением 0,001 м3. Эти три единицы и составили основу принятой 1 августа 1793 г. временной системы единиц.

Несколько позднее, 7 апреля 1795 г., была принята десятичная метрическая система, которая установила во Франции следующие единицы, названные республиканскими: единица длины – метр, единица объема – литр (0,001 м3), единица массы – грамм (масса 1 см3 воды), единица аграрной площади – ар (10 000 м2), единица объема дров – стэр (1 м3). Но это уже более походило на политические игры.

Примерно десять лет, вплоть до 1799 г., потребовалось, чтобы уточнить количественные соотношения между единицами. В 1799 г. первые платиновые эталоны метра и килограмма были сданы на хранение в архив Франции, а соответствующий декрет узаконил их применение на территории всей страны. Поскольку вся система мер строилась на одной единственной единице – метре, то она и полу- чила название метрической. За единицу площади принимался квадратный метр, объема – кубический метр, массы – килограмм (масса кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С).

Параллельно с работой над реформой мер и весов был подготовлен новый республиканский календарь. Год разбивался на 12 равных месяцев по 30 дней: каждый месяц – на три декады по 10 дней, а оставшиеся 5 дней не принадлежали ни к какому месяцу. В високосный год вводился и 6-й «свободный» день, который был назван Днем революции. Начало года приходилось на астрономическое начало осени. Календарь был принят в 1793 г. и просуществовал до 1806 г., когда был снова восстановлен григорианский календарь.

Десятичное деление было введено и для денег: в 1795 г. в каче- стве основной денежной единицы был введен франк (вместо фунта), который состоял из 10 децимов – по 10 сантимов в каждом.

58

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

Комиссия по мерам и весам рассмотрела вопрос о десятичной шкале для температуры и решила ввести 100°-ный температурный интервал между температурой плавления льда и точкой кипения воды вместо 80°-ного, принятого в шкале Реомюра. В последующем единичный температурный интервал этой новой шкалы был назван градусом Цельсия.

Несмотря на свои очевидные преимущества, метрическая система внедрялась с большим трудом. Наполеон, например, считал, что «нет ничего более противоречащего складу ума, памяти и соображению, чем то, что предлагают эти ученые. Абстракциям и пустым надеждам принесено в жертву благо теперешних поколений, ибо, чтобы заставить старую нацию принять новые единицы мер и весов, надо переделать все административные правила, все расчеты промышленности. Такая работа устрашает разум» [20]. В 1812 г. он ввел новую систему, в которую вернул туаз, приравненный к 2 м, и многие другие единицы со старыми наименованиями, но приведенные к метрической системе. Почти до 30-х годов XIX в. во Франции фактически сосуществовали две системы мер: одна основанная на туазе, а другая – на метре (1 туаз равнялся 6 парижским футам). Лишь декретом от 4 июля 1837 г. очищенная от нововведений Наполеона метрическая система была окончательно введена во Франции и с 1 января 1840 г. стала обязательной. За применение других мер предусматривалось наказание.

Проявленная французским правительством решимость ввести обязательное применение метрической системы была вызвана в зна- чительной степени нарастающими неблагоприятными экономическими последствиями множественности мер, используемых в развивающейся промышленности и торговле. Все яснее стала осознаваться мысль и о необходимости всемирной унификации мер: на памятной медали 1840 г. был начертан девиз: «На все времена, для всех народов». Метрическая система с самого начала была задумана как международная. Ее единицы не совпадали ни с какими национальными единицами, а наименования единиц и десятичных приставок были произведены от слов «мертвых» языков – латинского и древнегреческого. По мере развития международных связей метрическая система начинает не только завоевывать популярность,

59

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

но и законодательно внедряться в других странах: в Бельгии, в Испании, в странах Латинской Америки. В Великобритании и США в 1864–1866 гг. были изданы декреты о применении метрической системы при заключении контрактов. В тот же период набирался опыт

èв практической организации служб мер и весов, содействующих внедрению новой системы мер.

Âсередине XIX в. промышленное развитие достигло такого уровня, когда стали возможными всемирные выставки лучших на- учно-технических достижений и готовых изделий. И уже первые такие выставки (Лондон – 1851 и 1860 гг., Париж – 1855 и 1867 гг.) показали, что количество применяемых в различных странах мер настолько избыточно, что представляет серьезный тормоз на пути дальнейшего прогресса. Во время Всемирной парижской выставки 1867 г. был организован Международный комитет мер, весов и монет, на заседании которого академик Б.С. Якоби в своем докладе сформулировал все преимущества метрической системы. Одновременно специалисты многих стран склонились к выводу, что французская метрическая система могла бы стать международной в силу ее научной обоснованности, простоты и легкости применения.

Â1867 г. вторая Генеральная конференция международной геодезической ассоциации, рассматривая причины расхождений в результатах триангуляционных измерений, проводившихся в те годы в Европе, высказалась за создание Международного европейского бюро мер и весов, располагающего новым прототипом эталона метра. Эта резолюция усилиями Парижского бюро долгот была передана на рассмотрение французского правительства. В 1869 г. Петербургская академия наук в докладе академиков О.В. Струве, Г.И. Вильда

èБ.С. Якоби, направленном во Францию, высказалась за более широкую интернационализацию новых эталонов длины и массы и их точную градуировку по «архивным» мерам.

Для подготовки практического решения в 1869 г. французское правительство решило создать специальную комиссию и разослало предложение всем странам принять в ней участие. Франко-герман- ская война 1870 г. и внутриполитические события во Франции в 1871 г. задержали начало работы Международной метрической комиссии до 1872 г., когда представители 30 стран приняли ряд важнейших решений по вопросам создания новых эталонов, в том числе реко-

60

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

мендацию об образовании во Франции Международного бюро мер и весов – международной научной лаборатории для хранения и сли- чения эталонов. Однако поскольку решение такого уровня вопросов не входило в компетенцию метрической комиссии, потребовался созыв французским правительством специальной дипломатической конференции для подписания соответствующей конвенции и создания официальной международной организации. То есть необходимость международного сотрудничества в области метрологии стала очевидной с развитием научных, культурных и торговых отношений между странами. 20 мая 1875 г. представителями 17 промышленно развитых государств, включая Россию, был подписан Дипломатический документ метрической конференции. Этот документ называют Метрической конвенцией, поскольку в нем сказано, что полномочные представители ряда стран, «...желая обеспечить международную унификацию и усовершенствование метрической системы», решили для этого подписать конвенцию. Конвенция была подписана по инициативе петербургских академиков Б.С. Якоби, О.В. Струве и Г.И. Вильда в Париже «для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы» (рис. 3.1). В соответствии с этой конвенцией международное сотрудничество подписавших ее государств устанавливалось путем следующих мероприятий:

•создания первого международного метрологического научного учреждения – Международного бюро мер и весов (МБМВ), содержащегося на взносы стран, подписавших конвенцию, и ведущего исследования по совместно вырабатываемым программам;

•учреждения Международного комитета мер и весов (МКМВ) из наиболее авторитетных ученых-метрологов стран –

61

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

весам «для обсуждения и принятия необходимых мер по распространению и усовершенствованию метрической системы».

Международное бюро мер и весов занимается вопросами создания международных эталонов и шкал для главных физических величин, хранения международных эталонов, сличения национальных эталонов с международными, согласования методик выполняемых при этом измерений, определения и согласования значений фундаментальных физических констант.

Международный комитет мер и весов на своих ежегодных заседаниях рассматривает текущие вопросы деятельности МБМВ. Интересен вывод английского исследователя Ф.Петри, что «линейные меры и меры веса свидетельствуют об отсутствии разобщенности мира...».

Французское правительство предоставило в дар новой организации для лабораторий и персонала павильон в усадьбе графа де Бретея в г. Севре под Парижем. История павильона, построенного при Людовике XIV в 1672 г., связана с семьей Гонди, Анной Австрийской, кардиналом Мазарини, Филиппом Орлеанским, Генриеттой Английской и многими другими. Павильон не раз перестраивался и расширялся, меняя своих хозяев. Среди них были: герцог Орлеанский, барон де Бретей, княгиня Матильда Бонапарт (жена князя Анатолия Демидова), великая княгиня Мария Романова. В начале XVIII в. павильон назывался павильоном дю Май, в годы правления Наполеона Бонапарта – итальянским павильоном. В 1870 г. Наполеон III передал павильон для устройства в нем астрофизической обсерватории. Во время Франко-прусской войны 1870–1871 гг., при осаде Парижа, Бретейский павильон был сильно поврежден огнем французской артиллерии. После капитального ремонта в 1875 г. французское правительство передало его Международной организации мер и весов (МОМВ). Оборудование лабораторий заняло 4 года, и в 1879 г. МБМВ начало свою работу.

В период с 1873 по 1888 г. группа ученых во Франции изготовила из специального сплава новые прототипы метра и килограмма, которые после их сертификации в 1889 г. на первой Генеральной конференции мер и весов были розданы странам-участницам, а часть из них заложена на хранение в специально оборудованный

62

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии

подвал Бретейского павильона. Таким образом, метр и килограмм МБМВ стали официальными международными эталонами.

По мере выполнения первоначальной программы, учитывая растущие потребности науки, техники и торговли в решении вопросов повышения точности, достоверности и сопоставимости измерений, сфера деятельности МБМВ постоянно расширялась. Созданное первоначально только для работы в областях линейных измерений и измерений масс, МБМВ распространило свою активность на электрические и фотометрические измерения параметров ионизирующих излучений, измерения времени и частоты.

Структура Международной организации мер и весов включает в себя два уровня (рис. 3.2): дипломатический и научно-техничес- кий. На высшем, дипломатическом уровне находится созываемая

Рис. 3.2. Структура Международной организации мер и весов

63