Эталон метра что это такое

Метр — Википедия

Метр (русское обозначение: м; международное: m; от др.-греч. μέτρον «мера, измеритель») — единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Также является единицей длины и относится к числу основных единиц в системах МКС, МКСА, МКСК, МКСГ, МСК, МКСЛ, МСС, МКГСС и МТС. Кроме того, во всех упомянутых системах метр — единица коэффициента трения качения, длины волны излучения, длины свободного пробега, оптической длины пути, фокусного расстояния, комптоновской длины волны, длины волны де Бройля и других физических величин, имеющих размерность длины^[1].

Согласно действующему определению, метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды ^[2][3].

Современное определение метра в терминах времени и скорости света было принято XVII Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1983 году^[2][3].

Метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.

Из этого определения следует, что в СИ скорость света в вакууме принята равной в точности 299 792 458 м/с. Таким образом, определение метра, как и два столетия назад, вновь привязано к секунде, но на этот раз с помощью универсальной мировой константы.

Изменения определений основных единиц СИ 2018—2019 годов не затронуло метр с содержательной точки зрения, однако из стилистических соображений было принято формально новое определение, полностью эквивалентное предыдущему^[4]:

Метр, обозначение м, является единицей длины в СИ; его величина устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме c{\displaystyle c} равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с⁻¹, где секунда определена через частоту перехода в цезии ΔνCs{\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}.

В соответствии с полным официальным описанием СИ, содержащемся в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI, англ. The SI Brochure), опубликованной Международным бюро мер и весов (МБМВ), десятичные кратные и дольные единицы метра образуются с помощью стандартных приставок СИ^[5]. «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», принятое Правительством Российской Федерации, предусматривает использование в РФ тех же приставок ^[6].

Кратные				Дольные
величина	название	обозначение		величина	название	обозначение
101 м	декаметр	дам	dam	10−1 м	дециметр	дм	dm
102 м	гектометр	гм	hm	10−2 м	сантиметр	см	cm
103 м	километр	км	km	10−3 м	миллиметр	мм	mm
106 м	мегаметр	Мм	Mm	10−6 м	микрометр	мкм	µm
109 м	гигаметр	Гм	Gm	10−9 м	нанометр	нм	nm
1012 м	тераметр	Тм	Tm	10−12 м	пикометр	пм	pm
1015 м	петаметр	Пм	Pm	10−15 м	фемтометр	фм	fm
1018 м	эксаметр	Эм	Em	10−18 м	аттометр	ам	am
1021 м	зеттаметр	Зм	Zm	10−21 м	зептометр	зм	zm
1024 м	иоттаметр	Им	Ym	10−24 м	иоктометр	им	ym
применять не рекомендуется      не применяются или редко применяются на практике

Соотношение с другими единицами длины[править | править код]

Метрическая единица, выраженная через единицу, не входящую в СИ					Единица, не входящая в СИ, выраженная через метрическую единицу
1 метр	≈	39,37	дюйма		1 дюйм	≡	0,0254	метра
1 сантиметр	≈	0,3937	дюйма		1 дюйм	≡	2,54	сантиметра
1 миллиметр	≈	0,03937	дюйма		1 дюйм	≡	25,4	миллиметра
1 метр	≡	1⋅1010	ангстрем		1 ангстрем	≡	1⋅10−10	метра
1 нанометр	≡	10	ангстрем		1 ангстрем	≡	100	пикометров

Один из публичных эталонов метра, установленных на улицах Парижа в 1795—1796 гг.

В Европе со времён распада империи Карла Великого не существовало общих стандартных мер длины: они могли быть стандартизированы в пределах одной юрисдикции (которая зачастую имела размеры одного торгового городка), но единых мер не было, и каждый регион мог иметь свои собственные. Причиной этого служило в какой-то мере то, что меры длины использовались в налогообложении (налог, например, мог измеряться в определённой длине полотна), а поскольку каждый местный правитель вводил свои налоги, то для соответствующей местности законами устанавливались свои единицы измерений^[8].

С развитием науки в XVII веке стали раздаваться призывы к введению «универсальной меры» ( universal measure, как назвал её английский философ и лингвист Джон Уилкинс в своём эссе 1668 года^[9]) или «католического метра» (metro cattolico) итальянского учёного и изобретателя Тито Ливио Бураттини из его работы Misura Universale 1675 года^{[Комм. 1][10]}), меры, которая бы основывалась на каком-либо естественном явлении, а не на постановлении властьдержащей персоны, и которая была бы десятичной, что заменило бы множество разнообразных систем счисления, например, распространённую двенадцатеричную, одновременно существовавших в то время.

Метр — длина маятника[править | править код]

Идея Уилкинса заключалась в том, чтобы выбрать для единицы длины длину маятника с полупериодом колебаний равным 1 с. Подобные маятники были незадолго до этого продемонстрированы Христианом Гюйгенсом, и их длина была весьма близка к длине современного метра (так же, как к единицам длины, использовавшимся в те времена, например, ярду). Однако, вскоре было обнаружено, что длина, измеренная таким способом, различается в зависимости от места измерений. Французский астроном Жан Рише во время экспедиции в Южную Америку (1671—1673) обнаружил увеличение периода колебаний секундного маятника по сравнению с тем, который наблюдался в Париже. Выверенный в Париже маятник в процессе наблюдений им был сокращён на 1,25 французской линии (~ 2,81 мм), дабы избежать отставания во времени на 2 минуты в день. Это было первое прямое доказательство уменьшения силы тяжести по мере приближения к экватору, и это дало разницу в 0,3 % длины между Кайенной (во французской Гвиане) и Парижем^[11].

Вплоть до французской революции 1789 года в вопросе установления «универсальной меры» не было никакого прогресса. Франция была озабочена вопросом распространения единиц измерений длины, необходимость реформы в этой области поддерживали самые различные политические силы. Талейран возродил идею о секундном маятнике и предложил её Учредительному собранию в 1790 году, с тем уточнением, что эталон длины будет измерен на широте 45° N (примерно между Бордо и Греноблем). Таким образом, метр получал следующее определение: метр — это длина маятника с полупериодом колебаний на широте 45°, равным 1 с (в единицах СИ эта длина равна g/π² · (1 с)² ≈ 0,994 м).

Первоначально за основу было принято это определение (8 мая 1790, Французское Национальное собрание). Но несмотря на поддержку собрания, а также поддержку Великобритании и новообразованных Соединённых Штатов, предложение Талейрана так и не было осуществлено^{[12][Комм. 2]}.

Метр — часть Парижского меридиана[править | править код]

Крепость Монжуик — южный конец дуги меридиана

Вопрос реформы единиц измерения был отдан на рассмотрение Французской академии наук, которая создала специальную комиссию, возглавляемую инженером и математиком Жаном-Шарлем де Борда. Борда был ярым приверженцем перехода на десятичную систему исчисления: он усовершенствовал лимб повторительного теодолита, который позволял намного улучшить точность измерения углов на местности, и настаивал, чтобы инструмент калибровался в градах (¹⁄₁₀₀ четверти круга), а не в градусах, чтобы град делился на 100 минут, а минута — на 100 секунд^[13]. Для Борда метод секундного маятника был неудовлетворительным решением, поскольку он основывался на существовавшей в то время секунде — недесятичной единице, которая не подходила для предлагавшейся к внедрению системы десятичного времени — системе, когда в одних сутках 10 часов, в часе 100 минут, а в минуте 100 секунд.

Вместо метода секундного маятника комиссия — среди членов которой были Жозеф Луи Лагранж, Пьер-Симон Лаплас, Гаспар Монж и Кондорсе — решила, что новая единица измерения должна быть равна одной десятимиллионной расстояния от Северного полюса до экватора (четверть земной окружности), измеренного вдоль меридиана, проходящего через Париж^[12]. Помимо той выгоды, что это решение давало лёгкий доступ для французских геодезистов, существовало такое важное достоинство, что часть расстояния от Дюнкерка до Барселоны (около 1000 км, то есть одна десятая от общего расстояния) могла быть проложена от начальных и конечных точек, расположенных на уровне моря, а как раз эта часть находилась в середине четверти окружности, где влияние формы Земли, которая не является правильным шаром, а сплюснута, было бы наибольшим^[12].

30 марта 1791 предложение определить метр через длину меридиана было принято следующим: одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа). Интересно, что в современных единицах это 11,00000000005{\displaystyle {\frac {1}{1{,}000\,000\,000\,05}}} метра. Идея привязать единицу измерения длины к меридиану Земли была не нова: аналогичным образом ранее были определены морская миля и лье.

Вновь определённая единица получила наименование «метр подлинный и окончательный» (фр. metre vrai et définitif)^[1].

7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, П.-С. Лаплас и другие учёные, выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. В 1792—1797 годах по решению революционного Конвента французские учёные Деламбр (1749—1822) и Мешен (1744—1804) за 6 лет измерили дугу парижского меридиана длиной в 9°40' от Дюнкерка до Барселоны, проложив цепь из 115 треугольников через всю Францию и часть Испании. Впоследствии, однако, выяснилось, что из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон оказался короче на 0,2 мм; таким образом, длина меридиана лишь приблизительно равна 40 000 км.

Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году.

Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе 1 дм³ воды), тоже была привязана к определению метра.

В 1799 году был изготовлен из платины эталон метра, длина которого соответствовала одной сорокамиллионной части Парижского меридиана^[14].

Во время правления Наполеона метрическая система распространилась по многим странам Европы. Выгода от её применения была столь очевидна, что и после отстранения Наполеона от власти принятие метрических единиц продолжалось^[15]:

• 1816 — Бельгия и Голландия;
• 1832 — Португалия;
• 1849 — Испания и Греция;
• 1870 — Германия;
• 1873 — Австрия;
• 1875 — Швейцария.

К концу XIX века из крупных стран только в Великобритании (и её колониях), США, России, Китае и Османской империи остались традиционные меры длины.

На метре как единице длины и килограмме как единице массы была основана метрическая система, которая была введена «Метрической конвенцией», принятой на Международной дипломатической конференции 17 государств (Россия, Франция, Великобритания, США, Германия, Италия и др.) 20 мая 1875 года^[16].

В 1889 году был изготовлен более точный международный эталон метра. Этот эталон изготовлен из сплава 90 % платины и 10 % иридия^[17] и имеет поперечное сечение в виде буквы «X». Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины.

Дальнейшее развитие[править | править код]

В 1960 было решено отказаться от использования изготовленного людьми предмета в качестве эталона метра, и с этого времени по 1983 год метр определялся как число 1 650 763,73, умноженное на длину волны оранжевой линии (6 056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона ⁸⁶Kr в вакууме. После принятия нового определения платино-иридиевый прототип метра продолжают хранить в Международном бюро мер и весов в тех условиях, что были определены в 1889 году. Однако теперь его статус стал иным: длина прототипа перестала считаться в точности равной 1 м и её фактическое значение должно определяться экспериментально. По своему первоначальному назначению прототип больше не используется.

К середине 1970-х годов был достигнут значительный прогресс в определении скорости света. Достаточно сказать, что если в 1926 году погрешность наиболее точных на то время измерений, выполненных А. Майкельсоном, составляла 4000 м/с^[18], то в 1972 году сообщалось о снижении погрешности вплоть до 1,1 м/с^[19]. После многократной проверки полученного результата в различных лабораториях XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с с относительной погрешностью 4·10⁻⁹, что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с^[20]. Впоследствии в 1983 году именно это значение XVII Генеральная конференция по мерам и весам положила в основу нового определения метра^[2].

Определения метра с 1795 года^[21]

Основа	Дата	Абсолютная погрешность	Относительная погрешность
1⁄10 000 000 часть четверти Парижского меридиана, определённая по результатам измерений, проведённых Деламбром и Мешеном	1795	0,5—0,1 мм	10−4
Первый эталон Metre des Archives из платины	1799	0,05—0,01 мм	10−5
Платино-иридиевый профиль при температуре таяния льда (1-я ГКМВ)	1889	0,2—0,1 мкм	10−7
Платино-иридиевый профиль при температуре таяния льда и атмосферном давлении, поддерживаемый двумя роликами (VII ГКМВ)	1927	неизв.	неизв.
1 650 763,73 длины волны оранжевой линии (6056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона 86Kr в вакууме (XI ГКМВ)	1960	4 нм	4·10−9[2]
Длина пути, проходимого светом в вакууме за (1/299 792 458) секунды (XVII ГКМВ)	1983	0,1 нм	10−10

Погонный метр — единица измерения количества длинномерных объектов (так называемых погонажных изделий, материалов и т. п.), соответствующая куску или участку длиной 1 метр. Погонный метр ничем не отличается от обычного метра, это единица, которой измеряют длину материала независимо от ширины. Погонным метром могут, например, измерять кабельные каналы, доски, листы металла, трубы, плинтусы, оконные уплотнители, ткани. Хотя для тканей правильнее было бы измерять их площадь, но если ширина ткани подразумевается известной и постоянной — используется понятие «погонный метр» (как правило, ширина ткани составляет 1,4 м, и, таким образом, погонный метр ткани является куском 1,0×1,4 м). Говоря строго, в быту чаще используется понятие именно погонного метра, информация о ширине или высоте предметов подразумевается известной или не важной. Наименование погонного метра выделяется в специальной литературе либо для создания различной экспрессивной окраски речи.

Метрологическая литература не рекомендует использовать термин «погонный метр». Общее правило заключается в том, что в случае необходимости поясняющие слова должны входить в наименование физической величины, а не в наименование единицы измерения. Поэтому, например, следует писать «погонная длина равна 10 м», а не «длина равна 10 пог. м»^[22].

Комментарии

1. ↑ metro cattolico (lit. «catholic [в значении „универсальная“] мера»), заимствовано из греческого μέτρον καθολικόν (métron katholikón)
2. ↑ Идея секундного маятника для назначения стандартной длины тем не менее окончательно не умерла, и такой стандарт был использован для определения длины ярда в Великобритании в период 1843—1878 годов.

Источники

1. ↑ ^{1 2} Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. — М.: Издательство стандартов, 1990. — С. 77—82. — 240 с. — ISBN 5-7050-0118-5.
2. ↑ ^{1 2 3 4} Определение метра (англ.) Резолюция 1 XVII Генеральной конференции по мерам и весам (1983)
3. ↑ ^{1 2} Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Основные единицы Международной системы единиц (СИ) (неопр.) (недоступная ссылка). Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Росстандарт. Дата обращения 28 февраля 2018. Архивировано 18 сентября 2017 года.
4. ↑ SI base units (неопр.) (недоступная ссылка). BIPM. Дата обращения 22 июня 2019. Архивировано 23 декабря 2018 года.
5. ↑ SI brochure Официальное описание СИ на сайте Международного бюро мер и весов
6. ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Десятичные множители, приставки и обозначения приставок… (неопр.) (недоступная ссылка). Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Росстандарт. Дата обращения 28 февраля 2018. Архивировано 18 сентября 2017 года.
7. ↑ Окунь Л. Б. Слабое взаимодействие // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4: Пойнтинга — Робертсона — Стримеры. — С. 552—556. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
8. ↑ Nelson, Robert A. (1981), Foundations of the international system of units (SI), Phys. Teacher: 596–613, <http://plato.if.usp.br/1-2009/fmt0159n/PDFFiles/ThePhysTeacher_FoundationsOfTheSI.pdf>  Архивная копия от 6 июля 2011 на Wayback Machine.
9. ↑ Wilkins, John (1668), An Essay Towards a Real Character, And a Philosophical Language, London: Gillibrand, <http://www.metricationmatters.com/docs/WilkinsTranslationLong.pdf> .
10. ↑ Misura Universale, 1675 .
11. ↑ Poynting, John Henry & Thompson, Joseph John (1907), A Textbook of Physics: Properties of Matter (4th ed.), London: Charles Griffin, с. 20, <https://books.google.com/books?id=TL4KAAAAIAAJ&pg=PA20> .
12. ↑ ^{1 2 3} Grand dictionnaire universel du XIXe siècle, Paris: Pierre Larousse, 1866—1877, p. 163—164.
13. ↑ Jean Charles de Borda, MacTutor, <http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Borda.html>. Проверено 13 августа 2010. .
14. ↑ Brief history of the SI (англ.). International Bureau of Weights and Measures. Дата обращения 12 июля 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.
15. ↑ Гевара И., Карлес П. Измерение мира. Календари, меры длины и математика.. — М.: Де Агостини, 2014. — С. 125—126. — 160 с. — (Мир математики: в 45 томах, том 38). — ISBN 978-5-9774-0733-5.
16. ↑ Метрическая система мер (неопр.) (недоступная ссылка). История измерений. Дата обращения 12 июля 2010. Архивировано 27 октября 2011 года.
17. ↑ ПЛАТИНА — статья из энциклопедии «Кругосвет»
18. ↑ Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003. — С. 387. — ISBN 5-9221-0314-8.
19. ↑ Evenson K. M., Wells J. S., Petersen F. R., Danielson B. L., Day G. W. Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 1972. — Vol. 29, no. 19. — P. 1346—1349. — doi:10.1103/PhysRevLett.29.1346.
20. ↑ Рекомендованное значение скорости света (англ.) Резолюция 2 XV Генеральной конференции по мерам и весам (1975)
21. ↑ Encydopaedia of scientific units, weights, and measures: their SI equivalences and origins. — Springer, 2004. — P. 5. — ISBN 1-85233-682-X.
22. ↑ Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. — М.: Издательство стандартов, 1990. — С. 78. — 240 с. — ISBN 5-7050-0118-5.

• Cardarelli, Francois (2003). Encydopaedia of scientific units, weights, and measures: their SI equivalences and origins, Springer-Verlag London Limited, ISBN 1-85233-682-X, page 5, table 2.1, data from Giacomo, P., Du platine a la lumiere, Bull. Bur. Nat. Metrologie, 102 (1995) 5-14.
• Humerfelt, Sigurd. (26 October 2010).
• Layer, H.P. (2008). Length—Evolution from Measurement Standard to a Fundamental Constant. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology. Retrieved 18 August 2008.
• Mohr, P., Taylor, B.N., and David B. Newell, D. (13 November 2012). CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2010. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology.
• National Institute of Standards and Technology. (December 2003). The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty: International System of Units (SI) (web site):
• National Institute of Standards and Technology. (27 June 2011). NIST-F1 Cesium Fountain Atomic Clock. Author.
• National Physical Laboratory. (25 March 2010). Iodine-Stabilised Lasers. Author.
• Naughtin, Pat. (2008). Spelling metre or meter. Author.
• Taylor, B.N. and Thompson, A. (Eds.). (2008a). The International System of Units (SI). United States version of the English text of the eighth edition (2006) of the International Bureau of Weights and Measures publication Le Système International d’ Unités (SI) (Special Publication 330). Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology. Retrieved 18 August 2008.
• Taylor, B.N. and Thompson, A. (2008b). Guide for the Use of the International System of Units (Special Publication 811). Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology. Retrieved 23 August 2008.
• Tibo Qorl. (2005) The History of the Meter (Translated by Sibille Rouzaud). Retrieved 18 August 2008.
• Zagar, B.G. (1999). Laser interferometer displacement sensors in J.G. Webster (ed.). The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook. CRC Press. isbn=0-8493-8347-1.
• Белобров В.А. (2019). История метра (короткая версия), История метра (полная версия)

Эталон метра в Париже

В конце XIX века в Европе и во всем мире начался переход на метрическую систему измерения. Об этом важном для всех стран событии напоминает сохранившийся эталон метра в Париже в виде мраморной доски, установленной на историческом здании на улице Вожирар №38, недалеко от Люксембургского сада.

Долгое время в Европе не было общей меры длины - в каждой стране, регионе и даже в городе могли использоваться свои собственные единицы измерения.

Даже принятые в одной стране единицы измерения были неточными. Вспомним, что английский дюйм когда-то был равен ширине большого пальца человека, фут измерялся по средней длине ступни человека, а ярд был равен длине пояса мужчины. Но у разных людей эти параметры могли значительно отличаться.

С развитием торговли и промышленности, расширением связей между городами и странами различные единицы измерения стали неудобными, тогда и возникла идея создания единой для всех системы мер.

Ученые предложили создать меру длины, которая бы основывалась на естественном явлении, общем для всех стран и людей. Первым эту мысль высказал нидерландский математик и физик Ван Свинден, он считал основу системы мер необходимо было найти «в недрах самой природы».

Для воплощения этой идеи в жизнь была создана комиссия при Французской академии наук. Ее члены под руководством математика Жана-Шарла де Борда после тщательного изучения всех предложений за единицу длины решили принять одну десятимиллионную четверть Парижского меридиана.

Закон о введении новой системы начал действовать во Франции с 7 апреля 1795 года.

«На все времена, для всех народов» -  был девиз новой метрической системы. Народ не сразу принял её, но когда парижские модные журналы стали приводить размеры выкроек в метрической системе, осуществление реформы стало проходить значительно быстрее.

Для того, чтобы жители Парижа могли ознакомиться с новым измерением расстояния и запомнить его, на улице Вожирар (Vaugirard 38), и был установлен эталон метра.

А всего в феврале 1796 - декабре 1797 года было установлено 16 таких эталонов метра в наиболее посещаемых местах Парижа, об этом рассказывается в надписи на мраморной доске. К настоящему времени эталон на улице Вожирар - один из двух оставшихся в Париже и единственный, который расположен на своём первоначальном месте.

Позже к метрической системе мер присоединились и другие страны и сегодня она официально принята во всех государствах мира, кроме США, Либерии и Бирмы.

Эталон метра, изготовленный в 1889 году из сплава платины (90%) и иридия (10%), хранится в штаб квартире Международного бюро мер и весов в городе Севр близ Парижа.

С 1983 года за эталон метра принята длина пути, проходимого светом в вакууме за время равное 1/299 792 458 секунды. Это определение не изменяет длину метра, но является более точным.

Метр (эталон)

Метр (эталон)

Метр (эталон)

Метр (франц. metre, от греч. metron  — мера) — расстояние, проходимое светом в вакууме за 1:299 792 458-ую долю секунды.

1 метр равен 10 дециметрам (дм), 100 сантиметрам (см), 1000 милиметрам (мм).
1000 метров равно 1 километру (км).

Согласно первому определению, принятому во Франции в 1791 г., метр был равен 1*10^-7 части четверти длины парижского меридиана. Размер метра был определён на основе геодезических (см. геодезические измерения) и астрономических измерений Ж. Деламбра и П. Мешена. Первый эталон метра был изготовлен французским мастером Ленуаром под руководством Ж. Борда (1799 г.) в виде концевой меры длины — платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единице длины. Он получил наименование "метр архива" или "архивный метр" (по месту хранения). Однако, как оказалось, определённый т. о. метр не мог быть вновь точно воспроизведён из-за отсутствия точных данных о фигуре Земли и значительных погрешностей геодезических измерений.

В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от "естественных" эталонов длины и о принятии архивного метра в качестве исходной меры длины. По нему был изготовлен 31 эталон в виде штриховой меры длины — бруса из сплава Pt (90%) и lr (10%). Поперечное сечение эталона имеет форму Х (см. рис.), придающую ему необходимую прочность на изгиб. Вблизи концов нейтральной плоскости эталона нанесено по 3 штриха.

Постановлением 1-й Генеральной конференции по мерам и весам этот эталон, получивший обозначение , был принят в качестве международного прототипа метра. Прототип метра и две его контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов. В Научно-исследовательском институте им. Д. И. Менделеева (НИИМ) в Санкт-Петербурге хранятся две копии (№11 и №28) Международного прототипа метра. При введении метрической системы мер в СССР (1918 г.) государственным эталоном метра была признана копия №28. Международный прототип метра, погрешность которого 1*10^-7, и национальный прототипы обеспечивали поддержание единства и точности измерений на необходимом для науки и техники уровне в течение десятков лет.

Рост требований к точности линейных измерений и необходимость создания воспроизводимого эталона метра стимулировали исследования по определению метра через длину световой волны. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам (1960 г.) приняла новое определение метра, положенное в основу Международной системы единиц (СИ): "Метр — длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p¹⁰ и 5d⁵ атома криптона 86". Для обеспечения высокой точности воспроизведения метра в международной спецификации строго оговорены условия воспроизведения первичного эталонного излучения. Монохроматическое излучение, соответствующее оранжевой линии криптона, создаётся специальной лампой, заполненной газообразным 86Kr. Свечение газа возбуждается генератором высокой частоты 100-200 Мгц, во время работы лампу охлаждают до температуры тройной точки азота (63 К). В этих условиях ширина оранжевой линии 86Kr не превышает 0,013-0,016 см^-1 (в волновых числах). Лампа устанавливается перед интерферометром, на котором измеряют концевые или штриховые меры в длинах световых волн. В НИИМе создан эталонный интерферометр, позволяющий измерять меры длины до 1000 мм со средним квадратическим отклонением 3*10^-8. Измерение длины прототипа №28 на эталонном интерферометре показало, что он больше метра по определению 1960 г. на 0,22 мкм.

Настоящая длина метра принимается в соответствии с резолюцией 17-ой Генеральной конференции по мерам и весам проходящей в октябре 1983 г. в Париже (Франция) и определена как расстояние, проходимое светом в вакууме за 1:299 792 458-ую долю секунды.

 

Алфавитный указатель

Где хранится эталон длины или как мериться длинами / Habr

Идея разобраться в этом вопросе и в итоге написать данный текст родилась здесь же на сайте — под одной из публикаций увидел утверждение, что продаваемые в магазинах линейки калибруют по вторичным эталонам, те — по первичным, а первичные — по международным. Это лишь в малой части соответствует действительности, так что, если заинтересовались, давайте разбираться.

Disclaimer: я не метролог, так что текст является не очень нудной (я надеюсь) попыткой научно-популярного рассказа, так что в нём возможны некоторые неточности, о которых можно сообщать как в личку, так и в комментариях — как вам угодно.

Многие, наверное, помнят со школьной скамьи, что эталон метра хранится в Парижской палате мер и весов в стеклянной банке под вакуумом там же, где и эталон лошадиной силы — лошадь весом один килограмм. Обратимся к энциклопедии и почитаем подробности.

Одной из первых попыток создать универсальную, т.е. воспроизводящуюся, меру длины, стала в 1668 году длина (математического) маятника, полупериод колебаний которого равен одной секунде. Идея хорошая, но во время путешествия в Южную Америку астроному Жану Рише пришлось укорачивать длину эталона, т.к. период его колебаний увеличился. Связано это было со сплющеностью геоида и, соответственно, уменьшением силы тяжести на экваторе. 1790 году было предложено уточнение, что эталон длины должен быть измерен на широте 45°N (примерно между Бордо и Греноблем), эта длина составляет 0.994 современного метра. Предложение, несмотря на изящность, тем не менее, не было принято. В 1791 году метр был определён Французской Академией как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа). Простота калибровки вызывает некоторые сомнения, но аналогичная привязка есть и у морской мили (перемещение на одну морскую милю вдоль меридиана соответствует изменению географических координат на одну минуту широты). Можно подумать, что влияние неровности рельефа будет катастрофически влиять на точность эталона, но это не так — изменение высоты на 1000 метров приведёт к удлинению меридиана всего на 6283 метра, что даёт относительную ошибку в полторы десятитысячных (известная задачка про удлинение экватора на метр и муху). В реальности измерения проводились гораздо точнее, преимущественно на высоте уровня моря. Заинтересовавшиеся найдут тут много интересного. Я ограничусь впечатляющей картинкой:

С тех пор для стран, принявших метрическую систему, стали делать эталонные швеллеры из различных сплавов, вносить поправки в регламент, например, проводить измерения при определённой температуре для устранения эффекта теплового расширения (точка плавления льда), а также ввели определение килограмма как массы воды объёмом в один кубический дециметр. Постепенно точность воспроизводства эталона повышалась, достигнув в итоге 0.1 микрона вместо изначальных 50 микрон. Эталоны хранились в стерильных условиях в метрологических лабораториях по всему миру, пока в 1960 году не было решено отказаться от использования не так уж точно воспроизводимого предмета, подверженного старению, в пользу физического явления, которое можно точно воспроизвести в лаборатории с нужной точностью и через многие годы. С тех пор метр определялся как 1 650 763.73 длин волн оранжевой линии (6 056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона 86Kr в вакууме (переход между уровнями 2p¹⁰ и 5d⁵). Точность эталона составила 4 нанометра. Эталонные бруски по-прежнему хранятся в тех же условиях, но уже не как эталоны, а как заслуженные пенсионеры, возможно ещё могущие принести пользу. В 1983 году пошли ещё дальше и определили метр как расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. К слову, секунда давно перестала быть долей тропического года, теперь это время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К. При соблюдении всех условий и введении поправок воспроизводимость современного эталона метра составляет 0.1 нм (относительная погрешность 10^-10). Последняя величина — характерный размер атома.

Теперь у нас есть международный первичный эталон метра, и мы можем, наконец, изучить ГОСТ Р 8.763-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 1·10^-9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0.2 до 50 мкм (дата введения 01.01.2013). ГОСТ удалось понять только со второго прочтения, т.к. структурно он написан совершенно, на мой взгляд, неправильно, хоть и профессионально. В результате изучения мы постараемся понять, как же калибруют и поверяют линейки. По этому ГОСТу нашим государственным первичным эталоном является установка на основе стабилизированного лазера He-Ne/I (лазер, стабилизированный по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде — 127) и средства сличения — компараторы и интерферометры. Его институт-хранитель — ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (вместе с ФГУП «ВНИИФТРИ» они хранят практически все первичные эталоны величин).

Теперь разберёмся с иерархией эталонов. Ниже по вертикали находятся вторичные эталоны, за ними следуют рабочие эталоны последовательно с первого по четвёртый разряд, ниже — рабочие средства измерений с классами точности от 0 до 5 (точные измерительные приборы, которые проходят иерархическую калибровку, прослеживаемую вплоть до международного эталона). Последние используются непосредственно для измерений и (по крайней мере должны) для изготовления приспособлений, наносящих риски (чёрточки) на массово изготавливаемую продукцию — те самые линейки, рулетки и прочие бытовые средства измерения. Итого я насчитал по вертикали 13 ступеней, которые проходятся перед изготовлением конечной продукции. На самом деле их будет чуть меньше, т.к. рабочие средства измерений отщепляются от иерархии на разной высоте в зависимости от класса точности.

У системы эталонов есть также и горизонтальное разделение на четыре независимых ответвления по типу проводимых измерений. Эти ветвления называются частями (с первой по четвёртую) и предназначены для следующего:

Часть 1. Источники излучений и средства измерений длин волн;
Часть 2. Меры длины штриховые и измерители перемещений;
Часть 3. Меры длины концевые плоскопараллельные;
Часть 4. Измерители перемещений, меры рельефные и микроскопы в области нанодиапазона;

Итак, пройдёмся по интересующей нас части 2. Первичный эталон сличают с помощью компаратора со вторичными — интерференционными установками для поверки штриховых мер длины в диапазоне от 0,001 до 1000 мм. С ними сличают рабочие эталоны 1-го разряда — штриховые меры длины, дифракционные голографические меры длины; далее поочерёдно с помощью компараторов сличают. Рабочие эталоны 2-го разряда — штриховые меры длины, голографические измерительные системы линейных перемещений. Рабочие эталоны 3-го разряда — штриховые меры длины, растровые измерительные преобразователи. Рабочие эталоны 4-го разряда — штриховые меры длины.

Рабочие средства измерений нулевого и первого класса точности сличают с рабочим эталоном первого разряда, второго и третьего — с рабочим эталоном второго разряда, четвёртого и пятого класса — с рабочим эталоном третьего разряда. Рабочие эталоны 4-го разряда используются для измерений с помощью непосредственного сличения. Рабочие средства измерения пятого класса точности, по идее, должны использоваться при производстве штампов для изготовления линеек и рулеток или, по крайней мере, для поверки станков, использующихся на производстве.

Иллюстрация из ГОСТа (мелко, но кликабельно):

Про принцип работы оптических интерференционных компараторов писать не буду, так как это описано много где, кроме того, для широкой аудитории будет, пожалуй, скучновато. Желающие могут ознакомиться тут.

В завершение статьи подсуну пару своих картинок. В своё время было необходимо проверить стабильность нескольких генераторов, для чего была собрана простейшая схема компаратора — сигналы от двух генераторов очень известной фирмы подаются на два вентиля (аналог диода), за ними стоят два аттенюатора, далее Т-образный мост, в котором происходит смешение сигналов, на выходе моста — детектор. Генераторы выставляются на близко расположенные частоты, с помощью аттенюаторов добиваемся равенства амплитуд колебаний двух сигналов, после чего получаем с детектора разностный сигнал, частота которого и будет индикатором стабильности двух генераторов. Два очень хороших генератора в тесте длительностью в трое суток:

Видно, что генераторы сличены с точностью порядка 3·10^-9. Тест проводился в праздники, чтобы минимизировать тепловые скачки. Можно отметить, однако, несколько резких всплесков с последующей эспоненциальной релаксацией. Вахтёр была немало удивлена, когда я сообщил ей в какое время и сколько раз она заходила в запертую лабораторию залить в чайник воды. Ай-ай-ай! На картинка ниже красная линия — повтор предыдущего графика, а синяя получена смешиванием генератора из первой пары с менее прецизионным, но тёплым ламповым отечественным генератором:
Долговременная стабильность у отечественного примерно такая же, а вот кратковременная — гораздо хуже. Цена, правда, у них тоже отличается не слабо.

На этом, пожалуй всё, спасибо за внимание и хороших выходных! Надеюсь, что было познавательно и не очень нудно.

ГОСТ Р 8.763-2011

Коломенский филиал ФБУ "Ростест-Москва" - Эталон метра

Метр (обозначение: м, m; от др.-греч. μέτρον — мера, измеритель) — единица измерения длины и расстояния в СИ. Метр равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299 792 458 секунды. Метр был впервые введён во Франции в XVIII веке и имел первоначально два конкурирующих определения: - как длина маятника с полупериодом качания на широте 45°, равным 1 c (в современных единицах эта длина равна примерно 0,981 м). - как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа).

Первоначально за основу было принято первое определение (8 мая 1790, Французское Национальное собрание). Однако, поскольку ускорение свободного падения зависит от широты и, следовательно, маятниковый эталон недостаточно воспроизводим, Французская Академия наук в 1791 предложила Национальному собранию определить метр через длину меридиана. 30 марта 1791 это предложение было принято. 7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, А. Л. Лавуазье, П.-С. Лаплас и другие учёные, выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году. Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе 1 дм³ воды), тоже была привязана к определению метра.

В 1799 из сплава 90% платины и 10% иридия был изготовлен эталон метра, длина которого соответствовала одной сорокамиллионной части Парижского меридиана. Впоследствии, однако, выяснилось, что из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон оказался короче на 0,2 мм; таким образом, длина меридиана лишь приблизительно равна 40 000 км.

Во время правления Наполеона метрическая система распространилась по всей Европе. Только в Великобритании, которая не была завоёвана Наполеоном, остались традиционные меры длины: дюйм, фут и ярд. В 1917 году метрическая система была введена в России.

В 1889 был изготовлен более точный международный эталон метра. Этот эталон тоже изготовлен из сплава платины и иридия и имеет поперечное сечение в виде буквы «X». Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины. Этот эталон всё ещё хранится в Международном бюро мер и весов, хотя больше по своему первоначальному назначению не используется.

 

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, генерируемого при переходе оболочечных электронов с уровня 2p10 на уровень 5d5.

Но и это определение продержалось недолго. Через два десятка лет после его введения метрологи пришли к выводу, что длину метра следует определить на основе эталона времени, поскольку атомные часы тогда обеспечивали большую точность, нежели интерференционные линейки. В итоге в 1983 году метр определили как расстояние, которое свет проходит в вакууме за определенные доли секунды.

Современное определение метра в терминах времени и скорости света было сформулировано как:

Метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

Из этого определения следует, что в системе СИ скорость света в вакууме принята равной в точности 299 792 458 м/с. Таким образом, определение метра, как и два столетия назад, вновь привязано к секунде, но на этот раз с помощью универсальной мировой константы.

 

По материалам сайтов : wikipedia.org; www.omedb.ru

Эталонный быт

Человечество окончательно отказывается от материальных эталонов, теперь все главные единицы СИ будут привязаны к фундаментальным физическим константам. От точных измерений времени, расстояний и масс сегодня зависит множество вещей — от спутниковой навигации до правильной работы магазинных весов. А точность этих измерений зависит от эталонов — сложных устройств, которые сегодня обслуживают тысячи ученых и инженеров. Нужны ли будут они в новой «нематериальной» метрологии, разбиралась редакция N + 1.

В международной системе единиц измерения СИ (от французского Le Systeme International d’Unites, SI) приняты семь основных величин, через которые определяются все остальные, производные единицы. Для точного измерения этих величин ученые создают эталоны, ведь измерение и есть сравнение чего-либо с эталоном. Первый эталон системы СИ — эталон килограмма — был официально принят в июне 1799 года во Французской республике. С тех пор основные единицы не единожды переопределялись, например единица длины, метр, первоначально была привязана к длине парижского меридиана, потом — к длине волны излучения атома криптона-86 и, наконец, — к скорости света в вакууме. Почти все другие единицы тоже постепенно оказались привязаны к фундаментальным физическим константам (ФФК).

Сейчас во Франции проходит 26-я Генеральная конференции по мерам и весам, и на ней будет принято решение еще раз переопределить килограмм, моль, кельвин и ампер. Американский Национальный институт стандартов (NIST) называет это будущее решение «поворотным пунктом в истории человечества». Система СИ будет обновлена, и из нее исчезнет последний материальный эталон — эталон килограмма. Все единицы будут привязаны к константам, не подверженным износу.

В Россию, согласно реестру Росстандарта, хранятся 165 различных эталонов основных и производных единиц. Что же будет с ними дальше, после новой реформы?

«Система СИ будет окончательно „отвязана“ от материального мира. Килограмм, вслед за остальными единицами, будет переопределен через фундаментальную физическую константу. Но это не значит, что и метрология станет „нематериальной“. Останутся эталоны, останется необходимость их сличений, нужно будет, как и раньше, обеспечивать единство и точность измерений, технически совершенствовать оборудование, передавать единицы измерения основным потребителям — промышленности, медицине, науке. Более того, у нас прибавится работы — понадобится разрабатывать новые измерительные технологии для квантовых единиц», — сказал N + 1 руководитель ВНИИ метрологии имени Дмитрия Менделеева Антон Пронин.

В этой статье мы расскажем о том, как «живут» российские эталоны, как ученые следят за их «здоровьем» и какое будущее их ожидает.

Национальный килограмм

Российский национальный эталон килограмма (его номер в ресстре — ГЭТ 3-2008, у каждого эталона есть такой номер) — это цилиндр из сплава платины и иридия с массовыми долями 90 и 10 процентов соответственно, диаметром и высотой около 39 миллиметров. Хранится образец в лаборатории массы и силы петербургского ВНИИ метрологии. На самом деле эталонов сразу два — это копии № 12 и № 26. 12-й играет роль национального прототипа килограмма, а 26-й — роль эталона-свидетеля, способный в случае порчи или утраты 12-го его заменить.

Цифры 12 и 26 — это порядковые номера копий Международного прототипа килограмма (МПК), хранящегося в Международном бюро мер и весов (МБМВ) во французском городе Севр. Согласно парижскому соглашению 1875 года, за прототип — «истинный килограмм» — был принят оригинальный платино-иридиевый цилиндр, а 42 его точных копии были пронумерованы и разделены: две остались «дежурными» копиями прототипа, а остальные 40 поделили между собой страны-участницы метрической конвенции. Сплав платины и иридия химически инертен, имеет высокую твердость и износоустойчивость, относительно малый коэффициент теплового расширения, большую плотность и наделен парамагнитными свойствами.

Вес российского эталона килограмма менялся примерно на 0,3 микрограмма в год, то есть на 30 микрограмм за более чем 100 лет. Похудел эталон за счет испарения атомов с поверхности цилиндра. Остальные копии показали похожие темпы «потери массы» — от 20 до 50 микрограмм. Это достаточно большие значения для современных требований к точности. Килограмм является одной из семи основных единиц СИ, и накопленные отклонения могут стать причиной так называемого технического системного кризиса. Именно поэтому научное сообщество решило переопределить килограмм через точно измеренную и фиксированную постоянную Планка.

Свои копии килограмма Россия получила в 1893 году, и с тех пор эталон не покидал стены института метрологии, он оставался здесь даже во время блокады Ленинграда. Обе копии являются государственным достоянием и хранятся в историческом здании, спроектированном при участии самого Дмитрия Менделеева для хранения эталонов. Помещение имеет изолированный от остального здания собственный фундамент массой 750 тонн, а температура воздуха поддерживается постоянно на уровне от 18 до 22 градусов Цельсия, причем скорость изменения температуры не может меняться быстрее 0,1 градуса в час.

Но даже очень мощный фундамент не вполне спасает: все работы по передаче единицы для вторичных эталонов и метрологические сличения производятся в ночное время. Рядом с институтом — станция метро и днем возможны погрешности из-за вибраций. Кроме двух копий прототипа килограмма, в состав государственного эталона входят компараторы массы (специальные приборы для сравнения массы двух образцов), аппаратура для измерений плотности воздуха. После перехода СИ на определение всех величин через фундаментальные физические константы передача единицы должна осуществляться в условиях вакуума, поэтому недавно в лаборатории появился вакуумный компаратор.

Наша российская платино-иридиевая копия № 12 сличалась с главным эталоном недавно, в 2014 году, и перекалибровка потребуется только в 2024–2029 годах. К этому сроку в России планируется осуществить работы для независимой реализации килограмма через постоянную Планка с необходимой точностью порядка 2 × 10^-8 килограмма.

После переопределения килограмма процедура сличений останется неизменной: техническим протоколом назначается лаборатория-пилот, организующая определенную программу мероприятия с указанием сроков и участников, она же посылает поочередно всем участникам сличений артефакт и рассчитывает отклонение каждой лаборатории от опорного значения.

Единственное новшество будет заключаться в следующем. Ранее единица (килограмм) передавалась от национального эталона вторичным эталонам при помощи компаратора массы (прибора для измерений разности массы между двумя эталонами) в условиях атмосферного воздуха. Теперь же передача единицы от национального прототипа килограмма вторичным эталонам будет осуществляться с помощью вакуумного компаратора в условиях вакуума, то есть в тех же условиях, в которых калиброван прототип.

От вторичных эталонов единица передается рабочим эталонам при помощи обычных компараторов в условиях атмосферного воздуха. Далее сохраняется вся действующая иерархическая система передачи единицы, вплоть до рабочих средств измерений масс: весов торговых, аналитических, весов для взвешивания вагонов и других.

Фонтаны времени

Единица измерения времени — секунда — с 1967 года определяется как интервал времени, соответствующий 9 192 631 770 периодов излучения между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это позволяет государствам создавать свои первичные эталоны единиц времени независимо от других государств.

Российский государственный первичный эталон единицы времени (его номер в реестре ГЭТ 1-2018) хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Это устройство на основе фонтана атомов цезия. «Фонтан» устроен так: облако сверххолодных атомов цезия помещают в оптическую ловушку, а затем под действием лазера они «подпрыгивают» вверх. Затем лазеры выключают, облако медленно опускается, а другой лазер считывает значения.

Базовый комплекс времени и частоты

Этот прибор работает не в постоянном режиме: значение частоты воспроизводится примерно каждые 150 секунд. Чтобы потребители имели доступ ко времени непрерывно, время хранят более простые устройства — водородные генераторы частоты. Но у них есть недостаток — дрейф, для компенсации которого используется рубидиевый хранитель. Все устройства комплекса работают сообща, как единый организм.

Государственный первичный эталон единицы времени существует в нашей стране с конца 1950-х годов. В лесном массиве в окрестностях поселка Менделеево, недалеко от Зеленограда, для эталона на территории ВНИИФТРИ построено отдельное трехэтажное здание. Такое расположение продиктовано требованиями к хранению и эксплуатации эталона: чтобы генератор не подвергался внешним воздействиям, рядом с ним не должно быть больших дорог и сильных электромагнитных полей.

Внутри здания специальная система кулеров следит за отсутствием больших перепадов температур (не более 0,3 градуса Цельсия). Для устранения блуждающих токов проведено высокоэффективное заземление. Предусмотрена защита от перебоев электропитания: в случае необходимости система аккумуляторов способна поддерживать работу всего комплекса в течение часа; если за это время неполадки не будут устранены, подключатся дизельные генераторы, способные снабжать эталон энергией в течение нескольких дней.

Каждые сутки данные от российского эталона поступают с помощью спутников в Международное бюро мер и весов для сличения: бюро сравнивает показатели нашего эталона с показателями эталонов других стран, анализирует полученные результаты и каждый месяц предоставляет информацию о точности работы эталона и отличии национальной шкалы времени от шкалы, формируемой самим бюро. Это отличие в настоящее время не превышает пяти наносекунд.

Способы передачи информации о времени от эталона потребителю зависят от требуемой точности. Один из наиболее массовых каналов передачи единицы времени у нас в стране использует для этого ГЛОНАСС: с его помощью данные непосредственно от эталона распространяются с точностью в несколько наносекунд. Также информацию о времени передают специальные серверы: чтобы воспользоваться ими, пользователи должны обратиться по установленному IP-адресу. Например, для пользователей операционной системы Windows достаточно поставить «галочку» в настройках, чтобы время на компьютере сверялось с серверами ВНИИФТРИ. Четыре сервера российского эталона обслуживают ежедневно несколько десятков миллионов запросов на предоставление данных о точном времени, с погрешностью в миллисекунды.

Специфический и дорогой способ получать точное время предоставляют специализированные радиостанции — это важно для тех, кто обязан его знать даже в том случае, если ГЛОНАСС выйдет из строя. Четвертый способ — использовать мобильные часы, изготовленные во ВНИИФТРИ.

Государственный первичный эталон единицы времени работает сегодня по принципу определения секунды через фундаментальную физическую константу, и изменения данного определения в ближайшее время не предвидится. Однако требования потребителей к точности измерения частоты и времени непрерывно возрастают, и все ведущие исследовательские лаборатории мира, в том числе и ВНИИФТРИ, разрабатывают все более точные часы на других атомных переходах, но уже в оптическом диапазоне, например с использованием стронция и иттербия. В результате этого развития «цезиевая» секунда может однажды смениться на «стронциевую» или «иттербиевую».

Градусы из чистых веществ

В России существуют два государственных первичных эталона температуры. Первый (ГЭТ 35-2010) находится во ВНИИФТРИ и работает в диапазоне от 0,3 кельвина до 273,16 кельвина. В его состав входят наборы эталонных термометров сопротивления в трех блоках сравнения, откалиброванные по газовому термометру постоянного объема, а также аппаратура для реализации плавления гелия-3, комплект аппаратуры для реализации температуры реперных точек международной температурной шкалы МТШ-90, криостаты сравнения, аппаратура для точных измерений сопротивления.

Эталон единицы температуры – кельвина

Сейчас этот эталон воспроизводит единицу температуры (которая по действующему до сегодняшнего дня определению равна 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды) по температурным зависимостям эталонных термометров, стабильность которых проверяется сличением между собой в криостатах сравнения, а также с температурой реперных точек, что обеспечивает воспроизведение единицы температуры в соответствии с Международной шкалой МТШ-90 и Предварительной низкотемпературной шкалой ПНТШ-2000.

Кроме того, во ВНИИФТРИ разработали акустический газовый термометр, определяющий термодинамическую температуру по скорости звука в газообразном гелии с высокой точностью — в диапазоне от 4,2 до 273,16 кельвина. Именно этот термометр планируется ввести в состав ГЭТ 35-2010 для улучшения точности воспроизведения и передачи единицы температуры — кельвина на основе первичного метода акустической газовой термометрии, основанного на законах термодинамики и статистической физики. Это позволит воспроизводить и передавать единицу температуры в соответствии с новым определением кельвина и обеспечивать единство измерений в области низких температур после переопределения кельвина.

Второй государственный эталон (ГЭТ 34-2007) предназначен для высоких температур (от 0 до 3000 градусов Цельсия) и размещен во ВНИИ метрологии. В этот комплекс, во-первых, входят три платиновых термометра сопротивления для диапазона от 0 до 660,323 градуса Цельсия и три — для диапазона 419,527–961,78 градуса Цельсия. Во-вторых, установки для воспроизведения различных температур: тройной точки воды, плавления галлия, затвердевания индия, олова, цинка, алюминия, серебра. Далее, комплекс аппаратуры для измерения сопротивления термометров, фотоэлектрический компаратор яркостей тепловых излучателей, излучатель «черное тело» для воспроизведения температур затвердевания серебра, золота и меди, группа из трех температурных ламп и высокотемпературный излучатель «черное тело» для передачи размера единицы температуры.

Как и его низкотемпературный коллега, этот эталон работает на основе метода воспроизведения температур фазовых переходов чистых веществ, позволяющих определить точные значения сопротивлений стабильных платиновых интерполяционных термометров в реперных точках МТШ-90.

В связи с переопределением единицы кельвина во ВНИИ метрологии создают экспериментальный эталон единицы температуры, который будет основан на новом определении — через постоянную Больцмана. Завершить разработку и утвердить новый эталон планируется в 2019 году, но уже сейчас часть созданной аппаратуры была исследована и подтвердила высокие метрологические характеристики нового эталона на уровне лучших мировых достижений в области измерений температуры.

Сила через сопротивление

Государственный первичный эталон (ГЭТ 4–91) единицы силы постоянного электрического тока — ампера — тоже хранится во ВНИИМ. Он состоит из двух комплексов аппаратуры — в первом используются термостатированные меры (работающие при температуре около 30 градусов Цельсия) с номинальным сопротивлением 1 ом и 1 килоом для воспроизведения силы тока 1 ампер и 1 миллиампер соответственно и мера напряжения 1 вольт.

Госэталон ампера

Вторичный госэталон ампера ГВЭТ

Эталон единицы силы тока, таким образом, реализуется через закон Ома, а меры сопротивления и напряжения получают свою единицу от квантовых эталонов, участвующих в международных ключевых сличениях. Учитывая высокую точность передачи единиц вольта и ома эталону силы тока в диапазоне 10^-3—1 ампер, а также отсутствие в указанном диапазоне высокоточных транспортируемых мер тока, международные сличения в данной области не проводятся. Передача единицы силы тока средствам измерения происходит с помощью компаратора.

Вторая часть госэталона ГЭТ 4–91, предназначенная для реализации диапазона малых токов (10^-16—10^-9 ампер), основана на электрометрическом методе, в котором значение силы тока определяется через напряжение на электрической емкости, через которую ток протекает в течении заданного времени. Для обеспечения необходимой точности сличений эталонов силы тока в данной области был разработан транспортируемый госэталон ГВЭТ 4-01-2010, соответствующий международным метрологическим требованиям.

Со скоростью света

Национальный эталон единицы длины находится во ВНИИМ. Это комплекс, состоящий из лазера, обеспечивающего воспроизведение единицы длины, и ряда компараторов для ее передачи. Согласно современному определению, метр есть длина пути, которую проходит плоская электромагнитная волна в вакууме за интервал времени равный 1/299792458 секунды. Воспроизведение единицы длины в государственном первичном эталоне осуществляется He-Ne/I2 лазером, стабилизированным по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде-127. Номинальная длина волны лазерного излучения в вакууме — 633 нанометра. Такой лазер рекомендован Международным комитетом по мерам и весам в качестве эталона для воспроизведения единицы длины.

Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор

История метра похожа на историю килограмма. После подписания Метрической конвенции Россия получила два платино-иридиевых эталона. В 1960 году Консультативный комитет Международного бюро мер и весов принял новое определение метра, с этого времени метр стал определяться через длину волны в вакууме оранжевой линии излучения криптона. Это определение просуществовало до 1983 года, когда Консультативный комитет принял новое, действующее сегодня, определение метра.

Передача единицы длины вторичным и рабочим эталонам от источника лазерного излучения, He-Ne/I2 лазера, осуществляется с помощью установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения и ряда интерференционных компараторов.

Атрефакт метра, который служил эталоном до 1983 года

Так как определение метра уже реализовано через фундаментальную константу — скорость света, метрологическая конференция середины ноября 2018 года не повлияет на судьбу госэталона.

Сила света

Эталон канделы, последней из основных величин СИ, живет во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИИОФИ). В состав госэталона входит оборудование, позволяющее воспроизводить канделу за счет измерения коэффициента преобразования интегрирующей сферы по световому потоку, формируемому высокотемпературной широкоапертурной моделью «черного тела» в определенном телесном угле.

В 1979 году 16-я Генеральная конференция мер и весов (ГКМВ) приняла новое определение единицы силы света: «кандела представляет собой силу света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540 × 10¹² герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 ватта на стерадиан» (здесь 683 — значение максимальной световой эффективности, установленное ГКМВ). Точное значение коэффициента максимальной световой эффективности, используемое вместе с функцией, дает отношение силы света к энергетической силе света для монохроматического излучения любой длины волны.

Как и метр с секундой, кандела уже была определена через константу, и ее судьбу грядущее метрологическое обсуждение не затронет.

Считанные атомы

Хотя единица количества вещества — моль — входит в перечень основных единиц Международной метрической системы, отдельного эталона для него нет. По определению, моль — это количество вещества, число молекул которого равно числу атомов в 12 граммах углерода-12, — то есть, по большому счету, моль дублирует единицу массы. На ближайшей международной конференции планируется принять решение об переопределение моля через число Авогадро, что не потребует создания эталона, но избавит величину от формального определения через массу.

Екатерина Жданова

Статья подготовлена на основе информации, предоставленной пресс-службами ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и ВНИИФТРИ, заместителем генерального директора,начальником Главного метрологического центра Государственной службы времени и частоты ФГУП «ВНИИФТРИ» Игорем Блиновым, начальником научно-исследовательского отделения метрологии в механике, термодинамике и строительстве (НИО-3) ФГУП «ВНИИФТРИ» Эдуардом Асланяном, ученым-хранителем эталона массы Виктором Снеговым , ученым-хранителем эталона термодинамической температуры Анатолием Походуном, ученым- хранителем эталона метра Натальей Кононовой и ученым-хранителем эталона ампера Александром Катковым.

В ПОГОНЕ ЗА ТОЧНОСТЬЮ: ЕДИНЫЙ ЭТАЛОН ВРЕМЕНИ — ЧАСТОТЫ — ДЛИНЫ

Человек живёт во времени и пространстве, и уже в глубокой древности появилась необходимость измерять время и длину — характеристику пространства. Измерить — значит сравнить измеряемую величину с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения. Эта единица должна быть чётко определённой и неизменной величиной — эталоном. Созданием эталонов занимается наука, именуемая метрологией. За эталон времени принята секунда, за эталон длины — метр. Но вот как их определить? Скажем, секунда — это промежуток времени, в течение которого… что? Метр — это расстояние, равное… чему? Эти вопросы отнюдь не просты. Посмотрим, как отвечает на них современная метрология.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Фото Сергея Транковского.

График уравнения времени (1), который показывает разницу между средним земным временем и истинным солнечным.

Часовые пояса. Жить нашей большой стране и тем более всему миру по московскому или по гринвичскому времени было бы крайне неудобно.

Часовые пояса. Жить нашей большой стране и тем более всему миру по московскому или по гринвичскому времени было бы крайне неудобно.

Эталон метра из платино-иридиевого сплава хранится в Национальном архиве Франции.

На центральной площади города Сан-Марино, столицы миниатюрного государства с тем же названием, в давние времена работал рынок.

Схема стабилизации кварцевого генератора с цезиевым эталоном частоты.

Упрощённая схема цепочки передачи частоты в радиооптическом частотном мосте.

Стронциевые часы. В перекрестье шести лазерных лучей образуется оптическая ловушка, удерживающая ионы стронция, которые излучают на частоте 429 терагерц (красный свет).

‹

›

ВРЕМЯ

Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении). Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.

Так как истинные солнечные сутки не остаются одинаковыми в течение года, то в повседневной жизни за основную единицу времени принимают средние солнечные сутки, рассчитанные в предположении равномерного движения Земли по орбите. Время в таких сутках называют средним временем. Понятно, что его значение меняется с изменением географической долготы места: когда в Москве 12 часов дня, то, скажем, в Красноярске уже 16 часов, то есть возникает понятие местного времени. Местное среднее время на Гринвичском меридиане называют всемирным временем и обозначают UT (Universal Time). Это всемирное время положено в основу создания нескольких астрономических шкал времени.

Прежде всего заметим, что, хотя UT — среднее солнечное время, то есть определено из условия равномерного движения Земли по орбите, на его основе трудно создать равномерную шкалу по той причине, что положение любого меридиана, и в частности Гринвичского, подвержено изменениям из-за вращения Земли. Происходит это потому, что Земля — не абсолютно твёрдое тело: массы в ней непрерывно перераспределяются, вследствие чего полюса Земли незначительно (до 10—15 м) меняют положение, вызывая смещение меридианов, их соединяющих.

Существует несколько модификаций шкал всемирного времени. Из наблюдений суточных движений звёзд получается всемирное время UT0, не образующее равномерной шкалы. Если учесть поправку за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения, получим более равномерную шкалу UT1. Если принять во внимание ещё и сезонные вариации угловой скорости вращения Земли, получим более равномерную шкалу UT2. Наконец, учёт действия приливных явлений даёт шкалу UT1R.

Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.

Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.

После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток все же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.

К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.

Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.

Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.

Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (¹³³Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (~ 9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность ∆f/f, где ∆f — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).

Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.

Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.

Приведённое выше определение атомной секунды принято международными организациями в 1967 году, и в том же году на основе этого определения в СССР был создан новый Государственный эталон времени и частоты. Современный его вариант включает в себя цезиевый и водородный генераторы и обеспечивает хранение и воспроизведение секунды и герца с погрешностью, близкой к 1.10^-14.

ДЛИНА

Обратимся теперь к единице длины — метру. Его история также довольно интересна. Впервые понятие метра появилось во Франции в период Великой французской революции. Учёные того времени решили заимствовать единицу измерения длины, так сказать, из самóй природы, и в качестве неизменного прототипа длины специальная комиссия Французской академии наук предложила взять длину одной десятимиллионной доли четверти Парижского меридиана. Это расстояние и назвали метром (metre vrai et definitif — метр подлинный и окончательный). После этого были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной, на основании которых, а также в соответствии с теоретическим определением изготовили образец метра в виде платиновой линейки — концевой меры шириной около 25 мм и толщиной 4 мм. Эта мера сдана в архив Французской республики, поэтому её в дальнейшем стали называть «архивным метром». Но далее оказалось, что вследствие всё возрастающей точности геодезических измерений значения метра и соответствующей части меридиана будут расходиться. Кроме того, длина меридианов, как уже отмечалось выше, не остаётся строго постоянной из-за смещения полюсов. И тогда решили больше не связывать значение меры длины с одной сорокамиллионной частью Парижского меридиана. Метр перестал быть «естественной» мерой.

За точное значение метра был принят так называемый международный прототип, выбранный следующим образом. Изготовили 31 эталон в форме стержней Х-образного сечения из платино-иридиевого сплава с двумя штрихами, расстояние между которыми равно размеру метра, и провели сравнение этих эталонов с «архивным метром». В пределах точности измерений эталон № 6 при 0^оС оказался равным длине «архивного метра», и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его приняли в качестве международного прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.

Так как существующие эталоны хотя и очень мало, но всё же изменяются с течением времени и метр нельзя считать естественной мерой единицы длины, метрологи задались вопросом: нельзя ли всё-таки установить естественный эталон длины, «привязав» его к стабильным природным процессам или явлениям. И здесь, как и в случае с эталоном времени, решение пришло из спектроскопии и квантовой электроники. Поскольку, как уже отмечалось, частоты и длины волн атомов и молекул отличаются исключительным постоянством, это природные константы, и поэтому в принципе атом или молекула каждого (любого) вещества обладает свойствами эталона частоты и длины.

С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длинах световых волн, и в 1927 году VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила: 1 метр равен 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия при определённых условиях (температуре, давлении и пр.) К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. И в 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен 1 650 763,73 длины волны излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии спектра изотопа криптона с атомным весом 86 (⁸⁶Kr). Поскольку эта линия намного более узкая, чем у кадмия (чему, в частности, способствует то, что криптоновую лампу помещают в криостат с жидкой углекислотой), новое определение метра повысило точность эталона длины примерно в 100 раз.

Однако она в относительной мере была на четыре порядка ниже точности, достигнутой в эталонах времени. Это, в частности, ограничивало точность измерения скорости света. Действительно, она определялась путём измерения времени распространения света на базисе известной длины. Но если время можно было измерить с погрешностью порядка 10^-12−10^-13, то точность измерения длины базиса лимитировала точность криптонового эталона длины.

В том же 1960 году, когда за эталон длины приняли криптоновый стандарт, был создан принципиально новый источник излучения — лазер, и началось бурное развитие лазерной техники. Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды, см. «Наука и жизнь» № 9, 2003 г.) — гораздо ýже, чем у криптонового стандарта. Однако частóты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода J₂, а линии с длиной волны 3,39 мкм — линия поглощения молекулы метана СН₄. Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/J₂¹²⁷ и особенно Не-Ne/CH₄ обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.

В начале 1970-х годов в США, Англии и СССР были выполнены эксперименты по уточнению скорости света в вакууме с, основанные на независимом измерении частоты ν и длины волны λ высокостабильного лазера (произведение νλ равно с). Обработка результатов этих экспериментов дала значение с = 299 792 458 ± 1,2 м/с с относительной погрешностью 4^.10^-9. До этих экспериментов она была равна 3^.10^-7, то есть измерения скорости света с использованием стабилизированных лазеров повысили точность примерно на два порядка. Но дальнейшее уточнение значения с было невозможно, так как величина 4^.10^-9 практически целиком обусловлена недостаточной точностью криптонового эталона длины, сравнением с которым вычислялась длина волны λ. Выход из этого положения оказался довольно неожиданным и оригинальным. Было решено: не будем стремиться уточнять с, а примем полученное значение 299 792 458м/с за мировую константу. Поскольку скорость связывает расстояние и время, это позволило дать новое определение метра — через единицу времени. И в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам постановили: «Метр — это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды».

Это определение полностью отменяет криптоновый эталон длины и вообще делает метр не зависящим ни от какого источника света. Но зато придаёт ему зависимость от размера секунды, а значит, и герца — единицы частоты. Так впервые была установлена связь между длиной, временем и частотой. Эта связь привела к идее о создании единого эталона времени — частоты — длины (ВЧД), основанного на соотношении λ = с/ν, где λ — длина волны излучения стабилизированного лазера, ν — его частота. Плодотворность этой идеи в том, что частоту можно измерить с погрешностью, обеспеченной современным эталоном частоты (скажем, 10^-13 и менее). А так как значение с фиксировано, то и значение λ будет определено с той же погрешностью, что по крайней мере на четыре порядка точнее, чем при использовании прежнего криптонового эталона длины.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, — цезиевый генератор, частота которого f_эт = 9 192 631 770 Гц лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора f_кв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона f_эт. Подбором конкретных значений n и f_кв разностную частоту (f_эт — nf_кв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (f_эт — nf_кв) = f_кв.

Сигнал разностной частоты (f_эт — nf_кв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты f_кв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты f_кв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (f_эт — nf_кв) и f_кв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 1014 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне — оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц — единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) — задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

Следует упомянуть, что в последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов — и не только» (УФН, 2006, № 12).

Кроме того, была найдена возможность повышения точности цезиевого эталона времени. Ещё в 1997 году Международное бюро мер и весов подчеркнуло, что в определении атомной секунды фигурирует атом цезия, который покоится при температуре абсолютного нуля (по шкале Кельвина). В новейших модификациях цезиевых часов (которые называют фонтанными) это условие почти идеально достигается путём лазерного охлаждения атомов. С использованием такого метода в американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) были построены эталонные цезиевые часы, обеспечивающие относительную точность воспроизведения единицы времени — секунды — порядка 3^.10^-16 (уход часов составляет 1 секунду за 70 миллионов лет). Но ещё более перспективны стандарты частоты, основанные на переходах в ионах ртути, иттербия или стронция, излучающие не в микроволновом, а в оптическом диапазоне. Точность отдельных лабораторных разработок таких оптических часов уже сейчас достигает 2^.10^-15, а в принципе они могут обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10^-17—10^-18. К такой точности вплотную подошли японские исследователи. В экспериментальном образце стронциевых оптических часов, разработанном в Токийском университете группой Хидетоси Катори, ионы стронция находятся в оптической ловушке на перекрестье шести лазерных лучей, под воздействием которых они удерживаются в «энергетических ямах», почти не взаимодействуя и излучая свет исключительно стабильной частоты. Точность стронциевых часов в тысячу раз превосходит точность цезиевых, используемых сегодня в качестве эталона времени и частоты. Предполагают, что вскоре эталон будет заменён и применение таких сверхточных оптических часов позволит соответственно увеличить точность единого эталона времени — частоты — длины.

Метр. История создания основной единицы длины

Описана история возникновения метра как основной международной единицы длины.

За единицу измерения «метр» было принято расстояние (при определенных условиях) между двумя специальными штрихами, которые были нанесены на платино-иридиевый стержень. Он был первым признан в 1889 году общенародным эталоном метра и помещен на хранение в Севре (Франция).

История возникновения метра

Метр возник из потребности иметь эталонную единицу длины, независящую от произвола, а также была бы строго постоянной и в случае утери легко могла бы быть восстановлена. Для установления такой единицы длины в 1791 году французское Национальное собрание назначило комиссию в составе Лагранжа, Борда, Лапласа и других ученых. В результате она выбрала единицу длины, которая была равна одной сорокамиллионной длины меридиана, проходящего через Парижскую астрономическую обсерваторию, и назвала ее метром.

При этом предполагалось, что Земля является вполне совершенным шаром. С целью определения длины меридиана, двум французским астрономам Мешену и Деламбру было предложено измерить длину дуги между Барселоной и Дюнкерком, которая заключала в себе приблизительно 9,5°. После того, как такое измерение было сделано, французский мастер Ленуар изготовил несколько образцов метра: двенадцать из железа и два из платины. Один из платиновых метров был сдан комиссией в июне 1799 года в Архив Французской Республики на хранение.

Однако последующие определения длины меридиана (Бессель, 1841 год, и другие) показали, что он имеет несколько другую длину, потому что Земля не имеет формы совершенного шара. Несмотря на это, было решено не изменять выбранного эталона метра. Однако, так как первоначальная форма эталона метра не была достаточно жесткой, Международная метрическая комиссия постановила в 1872 году изготовить новые платино-иридиевые прототипы метра, причем поперечное сечение их было выбрано специальной формы, при которой длина нейтральной плоскости оставалась неизменной даже при прогибании образца.

Длина метра зафиксирована с помощью двух очень тонких штрихов, которые нанесены на средней, нейтральной полосе прототипа. Всего была изготовлены 31 копии прототипа метра. Один из которых, № б, был принят как международный прототип. Из оставшихся 28 были по жребию переданы государствам, заказавшими эти эталоны, а два были приняты как контрольные.

Метр в России

России по жребию достались прототипы № 11 и № 28. Первый из них хранился в Академии наук, а второй — во ВНИИМ в Ленинграде. Длина прототипа № 11 на 0,0005 мм короче, а № 28 — на 0,0005 мм длиннее международного метра, и, следовательно, среднее из них в точности равно международному нормальному метру. Постановлением правительства СССР экземпляр № 28 принят в качестве эталона для нашей страны.

Международное бюро, кроме штриховых метров, распределило по жребию 6 концевых метров. России достался концевой метр № 2. Наблюдения Бенуа показали, что металлические стержни испытывают длительные изменения своей длины, если даже они были подвергнуты кратковременным температурным колебаниям. Хотя у платино-иридиевых стержней такие влияния не были обнаружены, все же нельзя поручиться, что первоначальная длина эталона не меняется со временем.

Поэтому в 1894 году Майкельсон в сотрудничестве с Бенуа сравнили международный эталон с длиной волны красного кадмиевого света. Майкельсон и Бенуа нашли, что длина международного метра равна 1 553 163,5 длин волн красного кадмиевого света при 15°С и давлении 760 мм ртутного столба (влажность воздуха ими не определялась).

Позднее (1904 год) такое же сравнение произвели Фабри, Перо и Бенуа. Они нашли, что в абсолютно сухом воздухе при тех же условиях длина международного метра равна 1 553 164,13 длин волн красного кадмиевого света.

Эталон метра — Сайт Романа Парпалака

1 апреля 2007 года

Между сторонниками систем единиц СИ и СГС могут проходить ожесточенные споры. Главное различие этих систем заключается в том, что в СГС меньше основных единиц измерения. В частности, сила тока, которая измеряется в СИ в амперах, в СГС выражается комбинацией сантиметра, грамма и секунды. Существующее разногласие дает повод для разработки новой революционной системы единиц, в которой число основных единиц будет сведено к минимуму. А именно, предлагается все величины измерять в метрах.

За единицу длины можно было принять любую величину: взять прямоугольный брусок («линейку»), отметить на нем произвольно две точки и сказать, что расстояние между ними и есть метр. Однако исторически метр был введен как сорокамиллионная часть длины меридиана, проходящего через Париж, что, разумеется, придает метру особую важность и величественность. После проведения измерения длины меридиана был изготовлен эталон метра.

Эталон метра — это такая неудобная линейка весьма странной формы, которой трудно измерять длину, так как на ней всего две метки в виде крестиков. Эта линейка изготовлена из сплава платины и иридия. Как объясняют ученые, этот материал выбран для надежности, а также чтобы метр меньше менялся при нагревании или охлаждении эталона. Подобное объяснение не может не представляться сомнительным: легко поместить эталон в термостат, поддерживающий постоянную температуру. На самом деле, выбор материалов обусловлен их высокой стоимостью, чтобы изготовление эталона было доступно только государству. Но и государству приходится добавлять туда иридий, эталон из чистой платины ему не по зубам.

Для наших целей создания новой системы единиц мы вправе выбрать эталон длины произвольным образом. Однако из соображений совместимости мы не будем отходить от сложившихся традиций и будем использовать существующий эталон и измерять длину в метрах.

Единица массы определялась через единицу длины: один килограмм равен массе воды объемом 1 дм³. Поскольку объем воды меняется в зависимости от температуры, был изготовлен специальный эталон массы в виде небольшого цилиндра из того же сплава. Очевидно, что данный подход избыточен: эталон длины можно использовать и как эталон массы. Примем, что один метр массы равен массе эталона метра.

Общепризнанной единицей для измерения интервалов времени является секунда, которая определялась как 1/86400 часть суток. Определить новую единицу времени можно по-разному. Например, как время падения эталона метра с высоты в один метр. Мы не будем так издеваться над эталоном, к тому же, такой метод имеет низкую точность. Гораздо более подходящим является использование колебаний: метр времени — это период колебаний эталона метра на гвоздике, торчащем из стены. Для этого в эталоне необходимо просверлить отверстие. Конечно, эта процедура изменит эталон массы, но это не страшно: в рамках существующих калибровочных теорий поля (квантовой электродинамики и квантовой хромодинамики) возможна соответствующая перенормировка, позволяющая свести к минимуму последствия проделывания отверстия.

Понятно, что определение нескольких единиц измерения через один предмет или явление является затруднительным. В определении наших единиц мы неявно использовали, помимо эталона метра, еще одно тело, Землю. Возможно, некоторые читатели знают о забавном факте: π²=3,14159...²=9,86960..., что в системе СИ примерно совпадает с ускорением свободного падения g=9.80655 м/с². Следует отметить, что это не случайное совпадение. Число 40 000 000 при определении эталона длины было выбрано определенным образом, а именно, чтобы математический маятник (небольшое тело на подвесе) длиной 1 метр имел полупериод колебаний, близкий к секунде, чем и объясняется вышеупомянутый факт. В нашем определении метра времени тоже используется величина g. Чтобы избежать связанных с этим неприятных последствий, примем, что величина π будет определяться из равенства π²=g. Мы получили, что отношение длины окружности к ее диаметру зависит от географического положения, а также от высоты. Это один из эффектов, связанных с искривлением пространственно-временного континуума и предсказанных общей теории относительности, он же является наиболее ярким ее проявлением в повседневной жизни.

Наша система единиц имеет ряд несомненных преимуществ по сравнению с существующими. Например, решая задачи по физике, нужно проверять единицы измерения. Необходимость такой проверки исчезает, когда все величины измеряются в метрах. Так же становится возможным складывать и вычитать физические величины разных размерностей. Если сложить 2 килограмма и 3 метра нельзя, то результат сложения 2 метров массы и 3 метров длины можно получить моментально. Правда, нужно определиться с тем, что мы будем понимать под пятью получившимися метрами, но такие тонкости на фоне огромной выгоды от полученных возможностей не должны нас волновать.

утвердили новые эталоны ампера и килограмма

Участники 26-й Генеральной конференции по мерам и весам, проходившей с 13 по 16 ноября 2018 года в Версале (Франция), единогласно проголосовали за новое определение эталонов четырёх единиц Международной системы СИ – килограмма, ампера, кельвина и моля. На предыдущем этапе обновления системы SI были утверждены новые стандарты секунды (время), канделы (сила света) и метра (длина).

О существовании эталона килограмма в виде специально изготовленного с высокой точностью цилиндра из платино-иридиевого сплава мы впервые узнаём на школьных уроках физики. Этот эталон хранится во французском городе Севре, в Международном бюро мер и весов. Так же давно был изготовлен и эталон метра. Для практического применения в национальных органах стандартизации использовали откалиброванные копии эталонов метра и килограмма. Первые копии эталона килограмма были изготовлены в 1872 году.

Как возникла система СИ

Формирование международной системы единиц измерений началось с 1799 года, когда появились стандарты веса и длины, изготовленные из платины. В 1889 году они были названы международными эталонами. До возникновения современной системы СИ несколько десятилетий базовыми единицами считали сантиметр, грамм, секунда (система СГС), потом в качестве базовых величин были выбраны метр, килограмм и секунда (МКС). В 1939 году предложили к ним добавить ампер и в 1946 году была утверждена система единиц МКСА. На конференции в 1954 году базовыми единицами в дополнение к метру, килограмму и секунде стали ампер, кельвин и кандел. В 1960 году появилось название International System of Units (SI). В результате споров и дискуссий между физиками и химиками 14-я конференция проголосовала за базовую единицу количества вещества и в 1971 году моль вошёл в систему СИ, став седьмой базовой единицей.

Переопределение эталонов

"Изобретение" эталонов и договорённости между многими странами мира об их применении имели огромное значение и влияние на развитие международной торговли, сыграли важную роль в науке и в производстве. Но постепенно у учёных накопились претензии к выбранным в качестве эталонов физическим объектам. Нужна большая точность и стабильность эталонов как единиц измерения.

Например, обнаружили изменение массы у эталона килограмма. Несмотря на принятые строгие условия хранения и меры предосторожности, за прошедшее время после изготовления цилиндра-эталона, его вес изменился на 50 микрограмм. Определение секунды как 1/86400 суток тоже оказалось непостоянной величиной. Первое определение эталона метра как часть диаметра Земли существовало, но перестали использовать.

Одна из копий эталона килограмма (43-я)

В качестве эталона должно быть что-то абсолютно неизменное, желательно общедоступное и чтобы не нужно было его хранить в сейфе. Поэтому начались поиски и выбор иных объектов и процессов, которые можно было бы использовать при определении эталонов для базовых единиц. В 1983 году впервые определили базовую единицу СИ (метр) через фундаментальную константу – скорость света в вакууме.

Метр с секундой были переопределены через скорость света (свет проходит точно 299 792 458 метров за секунду) и излучение охлажденного атома цезия (строго 9 192 631 770 периодов излучения за секунду)

Новый эталон килограмма

С 20 мая 2019 года килограммом будет считаться не вес эталонного цилиндра, килограмм в соответствии с новым подходом отказа от физических артефактов, используемых длительное время в качестве образцов, эталонов единиц измерения, теперь определяется через постоянную Планка, фундаментальную константу.

Килограмм был последней мерой, эталоном которой служил физический прототип, отметил руководитель Национальной лаборатории метрологии и испытаний Франции Тома Гренон. Теперь килограмм будет определяться не весом эталона, а количеством энергии, необходимой для того, чтобы сдвинуть с места объект весом в килограмм.

Новый эталон массы можно реализовать с помощью весов Киббла. Эталоном является груз, который уравновешивает силу отталкивания между постоянным магнитом и катушкой, по которой пропускают ток. Таким образом, массу объекта можно найти за счёт равенства электрической и механической сил. Об устройстве и о том, что такое ватт-баланс можно прочитать здесь.

Новое определение ампера

Эталон ампера был утверждён в 1948 г. Он основывался на измерении силы, действующей на параллельные проводники с током. Теперь учёные решили зафиксировать численное значение электрического заряда и использовать его в определении ампера.

Информация об изменениях в определении базовых единиц в системе СИ

Ниже скриншоты из документа (ссылка на PDF) с информацией об изменениях в Международной системе СИ. Несколько лет, предшествующие голосованию на 26-й конференции, были потрачены на перепроверку и на измерения значений фундаментальных постоянных с максимальной точностью. Значения фундаментальных постоянных, через которые определены все базовые единицы:

Определения семи базовых единиц СИ: новые – для килограмма, ампера, кельвина и моля:

Директор Международного бюро мер и весов Мартин Милтон назвал итоги голосования 16-го ноября "исторической вехой", сравнив его с принятием в 1875 году Метрической конвенции. Теперь взаимосвязи в системе СИ выглядят более гармонично:

Иллюстрация из статьи "Килограмм стал нематериальным"

Метр – мера земная. Продолжение.

Франция — родина метра. Во Франции, в Бретейльском павильоне близ Парижа хранится штриховой эталон метра. И в Париже раз в шесть лет происходит очередная Генеральная конференция по мерам и весам. Разговор, начатый в 1895 году, продолжается. В 1927 году на VII Генеральной конференции было предложено принять за эталон длину волны красной линии кадмия. Генеральная конференция согласилась, но с оговоркой — «временно». (Подумалось, а ведь можно было бы в качестве какого-нибудь эталона пусть и не метра использовать какой-нибудь показатель фондовых бирж, тот же индекс Доу Джонса, хотя разумеется это все будет понятно для активных игроков на бирже, впрочем и вы сможете стать им, для этого лишь необходимо открыть счет Trade12, но вернемся с нашей статье).

Кадмий был выбран экспериментально, его спектральные линии в те времена были наиболее четкими. Но и эти линии имеют, как уже говорилось, сверхтонкую структуру. А кроме того, кадмий нужно подогревать. Решение упиралось в одно: найти излучатель с более монохроматическим светом, чем у кадмия. В разных странах мира развернулась работа.

Советский Союз дважды — в 1935 и 1948 годах — предлагал перейти на определение метра через длину волны красной линии кадмия с тем условием, что если будет найден источник, дающий более монохроматический свет, то в основу измерений ляжет его длина волны.

А тем временем успехи ядерной физики не обошли и этот участок науки. Путем бомбардировки золота нейтронами был создан изотоп ртути Нg. Еcли наполнить лампу такой ртутью и заставить ее светиться, то окажется, что ширина зеленой линии такой ртути уже красной линии кадмия в 1,4 раза. У ртути высокий атомный вес, поэтому эффект Допплера ослабляется, а кроме того, в случае свечения одного только изотопа нет сверхтонкой структуры.

Но такой источник света — дорогое удовольствие. А нет ли чего подешевле? И вот Париж, 1960 год, XI Генеральная конференция по мерам и весам. 14 октября представители 32 стран, присоединившихся к метрической конвенции, принимают резолюцию: «XI Генеральная конференция по мерам и весам, учитывая, что международный прототип не определяет метр с достаточной для нужд современной метрологии точностью и что, вместе с тем, желательно утвердить естественный и неуничтожаемый эталон, решает:

1. Метр есть длина, равная 1 650 763,73 длины волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между двумя определенными энергетическими уровнями атома криптона 86.
2. Определение метра, действующее с 1889 года, основанное на международном платиноиридиевом прототипе, отменяется.
3. Международный прототип метра, утвержденный Первой Генеральной конференцией по мерам и весам в 1889 году, будет храниться в Международном бюро мер и весов в тех же условиях, какие были установлены в 1889 году».

Так закончилась история платиноиридиевого эталона, так закончился долгий спор.

НЕМНОГО ФАНТАЗИИ

Вот довольно распространенная научно-фантастическая картина: на Землю прибывает космический корабль с какой-нибудь иной планетной системы. Оттуда выходят космонавты, начинается выработка общего языка, основанного, ну, допустим, на таблице умножения, а потом более подробное ознакомление. И мало-помалу речь заходит об измерениях.

— А как у вас измеряют длину,— спрашиваем мы, жители Земли.
— У нас это делается просто — отвечают гости. Наша основная единица длины равна 1 650 763,73 длины волн криптона (невероятное, конечно, совпадение, но в научной фантастике все возможно).
— Как интересно, — говорим мы, — и у нас то же самое. А ну, тащите скорей свой эталон, мы его сравним с нашим.

Приносят, сравнивают. Эталоны не сходятся. Всеобщее смятение.

— Что же вы,— говорит академик, — не знаете про эффект Эйнштейна? На другой планете другая сила тяжести, а значит и другие частоты световых волн. Например, зеленый свет на Земле имеет одну частоту волны, а в условиях других гравитационных сил — другую. Это и называется эффектом Эйнштейна.

Конечно, описанная выше сценка — фантазия. Для того чтобы вызвать заметное смещение линий спектра, нужна сила тяжести, в миллионы раз превосходящая земную, а в таких условиях жизнь вряд ли возможна. Но все же в глазах потомков резолюция XI Генеральной конференции будет свидетельством эры пребывания человека только на Земле, эры приспособленности к земным условиям.

А когда человек устремится в новые миры, какие естественные и неуничтожимые единицы примет он там? На это пока нет ответа. Ясно одно. Даже то невыразимо точное и надежное определение метра, которое принято сегодня, будет со временем еще более уточнено.

Автор: Р. Яров.

---

Смотрите также

• 
  Гемохроматоз что это такое фото
• 
  Транзиторная а в блокада 1 степени что это такое
• 
  Шарики орбис что это такое и для чего он нужен
• 
  Полиантовые розы что это такое
• 
  Фибромиома молочной железы что это такое
• 
  Гайд парки что это такое
• 
  Аффективная лабильность что это такое
• 
  Трийодтиронин свободный что это такое
• 
  Свитшот женский что это такое
• 
  Выдержка в фотоаппарате что это такое
• 
  Глиттер что это такое