Как появился метр как единица измерения

Мысль об использовании какого-либо явления природы для установления точной единицы длины возникла еще в XVII веке. Но законодательно она была оформлена только во время Великой французской революции. Введение меры, данной человеку самой природой, не только улучшало положение торговли и промышленности, но было и политическим актом, направленным против еще одного проявления королевского деспотизма. Революционеры не хотели иметь в качестве меры длину королевских рук, мечей или жезлов.

Группа ученых в течение шести лет в сложнейших условиях военного времени проводила измерения дуги меридиана от Дюнкерка до Барселоны. «Естественным и неуничтожимым» назвали единицу, полученную в результате этой работы. Это был метр. Он равнялся одной десятимиллионной части дуги меридиана между экватором и полюсом. Была изготовлена платиновая линейка — эталон новой единицы. Позднее он получил название «архивный». В честь памятного события предполагалось даже выбить медаль с надписью «На все времена, для всех народов».

Однако «естественной и неуничтожимой» меры не получилось. Пока метрическую систему то отвергали, то принимали в разных странах, ученые вновь и вновь измеряли дугу меридиана от 0 до 90°. И ни одно из этих измерений не совпадало не только с первым, но и с каждым из предыдущих. Росла точность инструментов — менялись результаты измерений. Кроме того, Земля не имеет строго геометрической формы шара, а это сказывается на измерениях.

Пришлось признать, что метр — величина тоже условная. И тогда было решено отказаться от поисков природной меры, а основной единицей длины принять архивный эталон и изготовить с него новые эталоны. По инициативе Петербургской Академии наук, с 1870 по 1875 годы прошло несколько международных конференций, которые завершились подписанием метрической конвенции. К 1889 году было изготовлено 32 штриховых эталона — метр равнялся расстоянию между штрихами, нанесенными на линейке из платиноиридиевого сплава. Эталоны были распределены по жребию и розданы всем государствам, подписавшим конвенцию.

Казалось бы, какая разница — соответствует ли метр некой природной величине или нет. Важно принять что-то за эталон. Но оказалось, что разница есть. Во-первых, эталон не остается неизменным с течением времени. В структуре платиноиридиевого сплава происходят какие-то процессы. В результате расстояние между штрихами меняется, правда, не намного — на десятые доли микрона,— но ведь эталон не должен меняться! И во-вторых, к тому времени, как был изготовлен эталон, основные требования к точности предъявляла геодезия. О нуждах промышленности речи не шло. Но прошло совсем немного времени, и положение резко изменилось. Точность в промышленности росла, появились плоскопараллельные концевые меры длины — раньше их называли плитками Иогансона. На этих плитках строит свою работу все машиностроение. А проверить такую плитку с помощью штрихового эталона неудобно. Нужен совершенно иной метод.

Спор начинается

Существует в природе явление, которое называется интерференцией. При встрече двух волн, вышедших из одного и того же источника, но разошедшихся в пути, происходит либо усиление суммарной волны, либо ее ослабление. Свет — это поток электромагнитных волн, поэтому явление интерференции присуще и ему. Световая интерференция выражается в чередовании темных и светлых полос. Если источник света белый, то полосы будут разноцветные, так как белый — это смесь всех цветов спектра. Если же источник будет давать совершенно определенный свет спектра (такой свет называется монохроматическим), то при интерференции получатся просто темные и светлые полосы. Для того чтобы измерить плитку с помощью интерференции света, нужно знать лишь длину волны применяемого света, а это — вещь хорошо известная. Например, у белого света она равняется примерно 0,6 микрона.

Так создалось странное положение, когда в основу эталона длины был положен один физический метод, а при решении наиболее часто встречающихся задач практики пользовались совсем другим. Надо было их как-то совместить.

В 1829 году француз Бабинэ предложил использовать длину световой волны в качестве эталона. Но кому в те времена нужны были микроны? А принцип был, между тем, заманчив. Световая волна, создаваемая в определенных условиях, имеет всегда одну и ту же длину. С помощью интерференции легко измерять разные линейные величины в длинах световых волн. И, конечно, идею эту не забыли. В 1892 году американец Майкельсон путем сложных опытов с использованием интерференции света установил, что в 1 метре укладывается 1 553 163,5 длины волн красной линии кадмия. Значит, эта длина волны равняется 6438,4722 ангстрема (ангстрем равняется одной десятимиллиардной доле метра).

И уже в 1895 году II Генеральная конференция по мерам и весам принимает решение: «Естественным свидетелем прототипа метра считать отношение метра к длинам световых волн». Но платиноиридиевый эталон продолжает жить полной жизнью, ссылка на световую волну является лишь уточняющей оговоркой. И на долгие годы, даже на десятилетия затянулся спор.

Плюсы и минусы

Как будто бы все просто. Штриховой эталон — единица условная, а световая волна — естественная. Давайте примем одно и выбросим другое. И тут-то один за другим начали нагромождаться «но». Прежде всего, выяснилось, что Майкельсон проводил свои опыты, не учитывая ни влажности воздуха, ни содержания в нем углекислоты. А все это искажает коэффициенты преломления и, значит, длину волны.

Опыты были повторены в сухом воздухе с минимальным содержанием углекислого газа при давлении 760 миллиметров ртутного столба. Оказалось, что длина волны красной кадмиевой линии в этих условиях уже другая — она равна 6438,6496 ангстрема. Разница невелика, но раз речь идет о природной, естественной величине, то нужно получить интерференционную картину, абсолютно избавленную от всяких искажений. А что может вызвать эти искажения?

Воздух подсушили, от углекислоты избавились, давление атмосферное. Что еще? Как раз в те годы люди начали разбираться в свойствах атома. И одно за другим посыпались такие обстоятельства, которые все отодвигали и отодвигали принятые длины волны в качестве эталона.

Прежде всего, что такое свет? Одни говорили — волна; другие — поток мельчайших частиц, корпускул. Спорили, спорили, наконец, в начале XIX века доказали, что волна. Однако прошло сто лет, и появилась квантовая теория, которая говорит: волна-то волна, но в то же время свет — это и поток мельчайших частиц фотонов. А откуда берется фотон? Вокруг ядра атома вращаются на разных орбитах электроны — одни подальше, другие поближе. Чем дальше орбита, тем больше энергии у электрона. Если на атом как-нибудь подействовать, электрон может перейти с дальней орбиты на ближнюю, то есть изменить свой энергетический уровень. Избыток энергии уйдет в виде фотона. Как все это влияет на интерференцию?

Для того чтобы получить четкую интерференционную картину, свет должен быть как можно более монохроматическим. А это осуществимо только в том случае, если длина волны его будет постоянной. Значит, электрон в атоме-излучателе должен колебаться все время равномерно. А те обстоятельства, которые мешают ему так себя вести, нарушают монохроматичность света. Что же это за обстоятельства?

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».

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.