История метрологии и теории измерений

Измерение массы
Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства.
Семена цератонии стручковой (рожкового дерева) служили мерой веса для взвешивания золотых изделий и драгоценных камней. Производная от названия дерева – карат, равный 0,2 г – применяется и до сих пор
Единица аптекарского веса –гран, что в переводе с латинского, означает “зерно” –равна 0,062 г (в России) или 0,064 г (в некоторых странах)

Меры длины
Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок – длина фаланги указательного пальца; пядь – расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть – расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень – от “сягать”, “достигать”, т. е. можно достать; косая сажень – расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста – от “верти, поворачивая” плуг обратно, длина борозды
вершок
пядь

Измерение времени
Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Их год, измеренный в V веке до н.э. всего на несколько минут отличался от современного.
Число 60 являлось одним из священных волшебных чисел: оно было принято у вавилонян за основу счета, как у нас 100. Час делили на 60 минут, минуту – на 60 секунд. Эти деления круга и часа также перешли к нам.
В Вавилоне во II в. до н. э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (около двух астрономических часов), за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала “мина” воды, масса которой составляла около 500 г. Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем и более сложным маятниковым часам.
Древние часы

Всё можно измерить?
Итак, для измерений необходимы опорные метки — меры. Сначала появились «естественные» меры, которые можно было легко воспроизвести. Исторически они связывались с какими-то свойствами растений, животных и людей. Так, в древности существовала мера земельной площади, которую называли «бычий рев». Это размер участка, в пределах которого этот звук отчетливо слышен.
С развитием ремесел и торговли появились и специально изготовленные единицы – линейки, мерные емкости, гири. Их введение часто сопровождалось соглашениями, а то и приказами. Скажем, французский туаз – это изначально «шесть королевских шагов». Потом изготовлялись стабильные прототипы мер (правда они могли отличаться друг от друга).
Набор средневекового купца: весы, гири

Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.).
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного. В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ -осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям - старостам, соцким, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, - деревянные копии для использования в обиходе.

Метрологические реформы России
Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении - футы, дюймы. В 1736 г. при правлении Анны Иоанновны по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостовского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание русского эталонного фунта.

Рождение десятичной шкалы и метрической системы
Официальным рождением десятичной шкалы измерений длины принято считать 1670 год – ее предложил французский математик и астроном Габриэль Мутон. Пятью годами позже итальянский архитектор и оптик Тито Ливио Бураттини предложил принять за всеобщую единицу линейных измерений длину маятника с секундным полупериодом. Он назвал ее Всеобщим метром. По формуле для периода математического маятника, взяв ускорение свободного падения, скажем, на широте Москвы, получится, что эталон Бураттини расходится в длине с сегодняшним метром лишь примерно на полсантиметра (на практике этот способ непригоден, т.к. g зависит от широты).
В разных местах земного шара маятник качается по-разному

Рождение метра
Название «метр» (от греческого metron – мера) в 1790 году придумал парижский преподаватель математики Леблон. 19 марта 1791 года академическая Комиссия мер и весов в составе звезд французской науки Лагранжа, Лапласа, Борда, Монжа и Кондорсе избрала основной единицей длины одну десятимиллионную долю квадранта парижского меридиана (одна сорокамиллионная доля меридиана). Она рекомендовала измерить длину дуги меридиана от Дюнкерка до Барселоны на долготе Парижа. Измерения затянулись и лишь 22 июня 1799 года самый лучший эталон из платины (ошибка не превышала 0,001%) в торжественной обстановке сдали на хранение в Республиканский архив Франции.

Рождение килограмма
В качестве единицы массы химик Антуан Лавуазье и кристаллограф Рене Жюст Айи предложили в 1793 году французской Комиссии мер и весов использовать грамм — массу одного кубического сантиметра чистой воды при температуре плавления льда. Был изготовлен медный эталон – 1000 г. С 1795 года новую единицу массы стали называть килограммом.
Через четыре года было принято предложение взвешивать воду при температуре ее максимальной плотности (4°С). Эталон килограмма был изготовлен из платины и помещен на хранение в Архив Республики. Однако произведенные в XIX веке измерения показали, что масса 1 л воды на 0,028 г меньше массы архивного эталона. Чтобы не допустить в будущем никаких разночтений, Международная комиссия по эталонам метрической системы в 1872 году решила принять в качестве единицы массу прототипа – Архивного килограмма.

XIX век
20 мая 1875 года представители 17 стран (в том числе и России) подписали в Париже Метрическую конвенцию. В 1877 г. изготовили несколько платиново-иридиевых линеек Х-образного сечения. В 1889 году Первая Генеральная конференция по мерам и весам постановила считать длину одной из линеек при температуре 0°С метрической единицей длины.
В 1880 году увидел свет международный эталон килограмма из сплава, состоящего из платины и иридия, тогда же были выполнены четыре официальные копий этого эталона. Они хранятся под двумя герметичными стеклянными колпаками в сейфе, расположенном в подвале Международного бюро мер и весов в Севре неподалеку от Парижа. В 1889 году 1-я Генконференция по мерам и весам приняла определение килограмма как равного массе международного эталона. Это определение действительно и в наше время.

Эталоны массы и длины в России
В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов.
В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов - одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.

Абсолютные единицы
Становлению метрической системы помог немецкий математик Карл Фридрих Гаусс. В 1832 году Гаусс заметил, что некоторым измерениям недостает надежной основы (магнитным, например). Он предложил ввести новую систему единиц (назвав ее абсолютной), в которой метрические единицы длины и массы вместе с секундой были взяты в качестве
основных, а все другие определялись через них как производные на основе известных физических законов. Гаусс рекомендовал ввести десятичные шкалы для всех физических единиц (кроме секунды, которая с XIII века определялась как 1/86400-я часть средних солнечных суток).

Система СГС
Идеи Гаусса подхватили британские физики Джеймс Максвелл и Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин. В 1860-е годы они предложили разработать всеобъемлющую систему единиц для физических измерений на базе гауссовской триады.
Так возникла система CGS (сантиметр, грамм, секунда), вместе с которой вошли в обращение приставки от «микро» до «мега». В 1874 году ее утвердила Британская ассоциация в поддержку науки.
В число единиц вошли единицы сопротивления (ом), напряжения (вольт) и силы тока (ампер).

Метрическая система в России
Метрическая система в России (Советском Союзе) была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров “О введении Международной метрической системы мер и весов”.
Нововведение приживалось с трудом, нужно было время, чтобы народ понял и привык новшеству. Появилась даже пропаганда на товарах массового спроса.

Предшественница системы СИ - МКСА
Некоторое время практические единицы (джоуль, ватт) существовали в стороне от метрических. Но в 1901 году итальянский инженер Джованни Джорджи показал, что любую из них можно добавить к метру, килограмму и секунде и получить новую систему, имеющую логическую структуру, подходящую для нужд техники.
Идеи Джорджи были окончательно приняты Международным комитетом мер и весов лишь в 1946 году. В качестве четвертой основной единицы новой системы была выбрана практическая единица силы тока, ампер, определенная в 1948. В соответствии с традицией эту систему назвали MKSA (метр, килограмм, секунда, ампер).
Чуть позднее в MKSA решили добавить единицы температуры и силы света (кельвин и канделу).

Основные единицы системы СИ
Кельвин, кандела, четыре основные единицы MKSA и стали фундаментом системы Systeme International d'Unites (SI или СИ), наследницы Метрической конвенции 1875 года, официально утвержденной в 1960 году на 11-й Генконференции по мерам и весам в Париже.
В 1971 году к этой шестерке добавили еще и единицу количества вещества — моль. Кроме того, в SI вошли дополнительные безразмерные единицы для измерения плоских и телесных углов — радиан и стерадиан.

Новая эпоха в системе единиц
Метровая линейка уже около полувека не является эталоном длины. В 1948 году 9-я Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала ввести эталон, базирующийся на оптических измерениях, и в 1960-м за метр приняли 1 650 763,73 длины волны излучения криптона-86, в 1983 году метр определили как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.
Сама секунда тоже с 1967 года не является 1/86400 частью суток, а определяется как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия с атомным весом 133.
Единственный оставшийся «механический» эталон — это килограмм. Но даже масса главного международного эталона со временем меняется — к настоящему времени считается, что он «похудел» на 50 мкг за счет микропереноса вещества на поверхность подставки. Поэтому ученые задумываются над новым определением килограмма.
Атомные часы