Дълга история, осеяна с множество грешки, превръща метъра в модерна унифицирана измервателна величина

29.10.2022 г.11 мин.

Инженерни истории

Още древните египтяни са били наясно с нуждата от образци и ползите от унифицирана метрична система. В днешно време има цяла наука за измерванията – „метрология”, която функционира благодарение на ясно дефинирани правила и понятиен апарат. Единството на измервателните величини е явен белег за напредъка на общество. Тази история е посветена на дългия път, който изминава мярката за дължина – метърът. Колко е дълъг един метър? Ще се изненадате от мащаба на премеждията, които съпътстват точната му калкулация.

С появата на съзнание у човека, мерките се превръщат в неизменна част от света. Свидетелства за тях могат да бъдат открити дори в текстове на най-старата книга в света – Библията.

Има множество спекулации, свързани със строежа на пирамидите. Причината е липсващо звено, което да обясни напредъка на човечеството в този период. Всъщност още тогава е бил създаден артефакт за метър. Неговите образци са били спойката, която дефинира обща представа за дължина. Без калибриране на обществените възприятия, проектирането и реализирането на пирамидите не биха били възможни.

Древните египтяни определили еталона за метър спрямо екватора на земята, който бил измерен с резонансни методи. Това било прието с насмешка от френските учени по времето на Френската революция от 1789 г. На по-късен етап били открити грешки в изчисленията на учените и след преизчисление на данните се установило, че всъщност географският ориентир, използван от египтяните, е по-точен от избора на Франция – меридиана, който пресича Париж (б.ред. неточностите идват от това, че не била взета под внимание деформацията на земното кълбо).

Каква е връзката между Френската революция и метъра?

Революцията избухва в следствие от недоволството на френската буржоазия, което се дължи именно на липсата на единни измервателни величини. Това е нагледен пример за значението на метрологията в икономически план – буржоазията негодувала от злоупотребите на феодалите, които не подлежали на ограничаващ репер.

Първоначално са предложени два метода за създаване на стандартизирана мерна единица:

  • Първият е с махало, което изминава половината си период за 1 секунда;
  • Вторият е да се намери дължината на един квадрант от земния меридиан и да се раздели на 10 милиона.

Френската академия на науките избира втората идея с довода, че гравитацията може да варира в зависимост от местоположението на измерванията. Макар и леко, това би повлияло на люлеенето на махалото, което ще направи универсалността на стандарта невъзможна.

През 1791 г. официално е договорен методът за получаване на дименсията. Обаче по това време все още не бил известен точният размер на един квадрант от земния меридиан. Двама знаменити френски астрономи – Пиер Мешен и Жан-Батист Жозеф, тръгнали от Париж в две противоположни посоки, за да определят дължината на земния меридиан между Дюнкерк и Барселона.

Срокът за изпълнение на задачата им теоретично би трябвало да отнеме малко повече от година, но те постигат целта си чак след 7 години. Това се дължи на множество разнородни пречки, чието наличие не било отчетено първоначално.

В крайна сметка двамата правят необходимите измервания, но Мешен допуска привидно малка, но в действителност съществена грешка още в началния етап от картографиране на меридиана. Той не взема под внимание, че въртенето на Земята я прави с нееднородна форма. Грешката му довежда до отклонение – 1/5 от милиметъра, спрямо поправката.

През 1799 г. вече се дефинира точната (почти) дължина за метъра. Изработва се артефакт – прът, който е най-близо до този резултат. Той е поставен в трезор и става официалният стандарт за дължината на метъра. По-късно същата година така наречената метрична система се разпространява в цяла Франция.

Този платинен прът, известен като mètre des Archives, бил използван за „линийка”, спрямо която всички измервателни уреди се калибрирали в продължение на няколко години.

Взискателността към точността ни води до официална промяна на определението през 1960 г: „Дължината на метъра е равна на 1 650 763.73 дължини на вълната във вакуум на излъчването при прехода между нивата 2p10 и 5d5 на атома на криптон 86”.

През 1983 г. дефиницията за метър отново се променя, тъй като технологията за измерване продължава да се усъвършенства.

Днес измерването на метър е направило пълен цикъл, като се връща към първоначалната предложение за дефинирането му – да се използва време. Разликата е, че този път се прилага малко по-сложна технология от махалото.  

Съвременната дължина на метъра се отличава с 0.5 mm от измерванията на Мешен и Жозеф.

Любопитно за инча

Преди приемането на метъра измервателните величини били ярд и инч. И макар към днешна дата инчът да е точно дефиниран като 25.4 mm. преди няколкостотин години се използвали далеч по-интересни похвати. 1 инч бил приет като нарицателно за: „Три зрънца ечемик, изсушени и кръгли, поставени едно до друго, по дължина”. На някои места 1 инч бил равен на комбинираната дължина на 12 макови семена. Въпреки че ечемичните зърна са били стандартна мерна единица в продължение на стотици години, все пак инчът бил варираща величина.

През 1150 г. крал Дейвид от Шотландия обявява „широчината на палеца на човек“ за стандартна мерна единица, която на пръв поглед практична, била необмислена от гледна точка на точността.  

За общоприета стойност за инча, в световен мащаб, може да се говори чак след 1 юли 1959 г. Тогава САЩ, Канада, Великобритания, Южна Африка, Нова Зеландия и Австралия сключват споразумение, с което приемат официална дефиниция за 1 инч, дефинирана като 25.4 mm.

Историята на метъра показва, че първоначалната му реализация е чрез артефакти, след това чрез референтен атомен преход и накрая – базиран върху фиксирането на числената стойност на скоростта на светлината. Предимствата от тази дефиниция водят до решението за определяне на всички единици чрез използването на избрани константи.

Актуално метърът съответства на: фиксираната числена стойностна скоростта на светлината във вакуум (с) – 299 792 458, изразена в единица ms-1, където секундата се дефинира чрез честота на цезий ∆νCs.

Метърът е една от 7-те основни величини в метричната система SI

Официално приетата като унифицирана метричната система – SI, е динамична структура, която следва развитието на метрологията. Тя търпи изменения в следствие на отмяна на решения, модификации или прецизирани допълнение. Поправките се приемат по време на международната конференция по мерки и теглилки (CGPM), а международния комитет по мерки и теглилки (CIPM) осъществява ревизии, които детерминират въпросите, които ще бъдат внесени за преразглеждане.

Б.ред. оригиналните наименования на организациите са на френски.

Хронологична справка на поправките внесени в дефиницията за метър

  • 1-ва CGPM, 1889: Утвърждаване на Прототип на метъра;
  • 7-ма CGPM, 1927: Дефиниране на метъра чрез Международния прототип;
  • 10-та CGPM, 1954: Приемане на метъра като основна единица;
  • 11-та CGPM, 1960: Предефиниране на метъра с помощта на радиацията на Криптон 86;
  • 15-та CGPM, 1975: Рекомендация за използване на стойността на скоростта на светлината;
  • 17-та CGPM,1983: Предефиниране на метъра във функция на скоростта на светлината, въвеждане в практиката на дефиницията за метър;
  • CIPM, 2002: Ревизия на въвеждане в практиката на дефиницията на метъра;
  • CIPM, 2003: Ревизия на списъка с препоръчителните радиации;
  • CIPM, 2005: Ревизия на списъка с препоръчителните лъчения;
  • CIPM, 2007: Ревизия на списъка с препоръчителните лъчения;
  • 23-та CGPM, 2007: Ревизия на въвеждане в практиката на дефиницията на метъра и изработване на нови оптични еталон и за честота;
  • CIPM, 2009: Обновяване списъка на еталоните за честота;
  • 24-таCGPM, 2011: Евентуална ревизия в бъдеще на Международната система на единиците SI;
  • 24-таCGPM, 2011: Ревизия на въвеждане в практиката на дефиницията на метъра и изработване на нови оптични еталони за честота;
  • CIPM, 2013: Обновяване на списъка на еталоните за честота;
  • 26-таCGPM, 2018: Преразглеждане на Международна система на единици SI (в сила от 20 май 2019 г.).

Въпреки че днес я приемаме за даденост, универсалната мерна единица – метър, позволява на учени, разделени по култура, език, раса и хиляди километри разстояние, да работят съвместно в търсена на отговори и решения на належащи проблеми. Без метъра „комуникацията” между тях не би била възможна, съответно не бихме и мечтали за научен и технологичен напредък.

Максимата за глобализация на метрологията гласи: „Измерено веднъж, прието навсякъде”.

Източник на информация: Български институт по метрология (БИМ), chronical.bg

Източник на снимковия материал: freepik.com, pixabay, thoughtco.com