ИСТОРИЯ МЕТРА

Инж. З. ПЕРЛЯ

В древние времена человек довольствовался очень грубыми приближенными измерениями. Во время охоты человек глазом измерял расстояние, на которое необходимо было метнуть камень или копье, чтобы попасть в зверя или птицу. Ему помогало то свойство нашего зрения, которое называется глазомером.

Можно сказать, что глаз явился первым мерительным инструментом. Но жизнь усложнилась, обиход человека обогащался рядом предметов, к размеру и весу которых предъявлялись требования определенного постоянства. Становилось трудно улавливать и сравнивать все увеличивающееся количество размеров, да к тому же все с большей точностью. Нужно было найти какие-нибудь постоянные меры.

В качестве такой «постоянной» меры человек стал пользоваться величиной своих конечностей. Толщина пальца, длина сустава, ширина кости, длина локтя, длина ступни — все эти величины использовались, как основные линейные меры. С помощью конечностей устанавливались также размеры новых производных линейных мер: длина шага, расстояние между концами пальцев расставленных рук и т д. Но у людей размеры конечностей не одинаковы. Такие меры были относительно постоянными и точными только для их обладателя, и потому подобный способ измерения мог удовлетворять человека только на ранней ступени развития общества.

*

С развитием торговли описанный примитивный способ измерения предметов становится совершенно неудовлетворительным. Продавец измерял товары своим локтем, покупатель своим. Ясно, что это было неудобно. Возникла потребность в установлении единого размера для каждой линейной меры. Это мероприятие проводилось по-своему в каждой стране, а зачастую и в отдельных местностях внутри страны. Так продолжалось примерно до середины XVIII века, причем к установленным мерам предъявлялись требования все большей точности.

К середине XVIII века имелось огромное количество стабилизированных мер, основой которых была величина человеческих конечностей.

Распространенная в восточных странах «натуральная» мера — локоть (длина части руки от локтя до конца среднего пальца) проникла почти во все страны. Первый стабилизированный в Англии при короле Эдуарде I (1272—1307) английский ярд так и назывался: «железный локоть». Его подразделения — фут и дюйм — также представляли собой стабилизированные размеры конечностей —  ступни и последнего сустава большого пальца руки.

Старая русская линейная мера аршин — была завезена в Россию из Турции и равнялась 1,5 локтя. Старая русская сажень представляла собой стабилизированный размер расстояния между концами пальцев расставленных рук, либо расстояние от пяты левой ноги до конца пальцев правой поднятой руки (косая сажень): само слово «сажень» произошло от слова «досягать» (руками или ногами). Кроме того, в древней Руси измеряли «пальцем» (толщина пальца) и «пядью» (длина ладони). Так в старые времена обстояло дело во всех странах.

Наиболее развитые и торговом и промышленном отношениях страны уже в средние века испытывали большие неудобства из-за огромного разнообразия мер. Каждая из этих стран стала стремиться к введению у себя единой системы мер. Последняя должна была быть построена, исходя из меры, принятой за основу всей системы, так называемого основного эталона, изготовленного из металла и хранящегося в условиях, препятствующих искажению его размера.

Правительства некоторых стран зачастую объявляли основной мерой величину какой-либо конечности государя или принадлежащего ему предмета. Так, германский король Карл Великий (767—819 гг.) объявил основной мерой длину своей ступни, которая и была названа «королевским футом». А английский король Генрих I (1100— 1135 гг.) объявил основной мерой длину своего скипетра. Эта величина была названа «элл».

Исходя из такого рода условных величин основной меры, изготовляли металлические меры «эталоны», которые с древнейших времен для обеспечения их сохранности и неизменяемости хранились в важнейших государственных зданиях, особо оберегаемых. Так еще израильтяне (древние евреи) хранили свою основную меру в главном храме, римляне — в Капитолии (Кремле древнего Рима). В других странах для хранения основных мер отводились помещения в королевских дворцах.

Но короли умирали или их свергали, скипетры изнашивались и исчезали. Когда встречалась необходимость снова воспроизвести основную меру, это оказывалось невозможным. Приходилось искать для основной меры новый образец, только приближенно равный старому.

Отсюда и возникла необходимость в установлении такого рода эталона основной меры, величину которого всегда можно точно воспроизвести.

Впервые такая попытка была сделана в Англии. Уже после введения Эдуардом I «железного локтя», в 1324 г.. был издан закон, гласивший, что три ячменных зерна (круглых и сухих), сложенные рядом по длине, составляют один дюйм, двенадцать дюймов составляют один фут, а три фута — один ярд. Принятие длины ячменного зерна в качестве исходной, относительно неизменной, основной величины для образования системы мер являлось уже приближением к установлению какого-либо природного образца основной меры. Выбор для этой цели зерен злачных растений был сделан не впервые в истории человечества. Еще за 2 790 лет до нашей эры в Китае, при богдыхане Хоанг-ли, была принята в качестве основной меры длина звуковой трубы, величина которой составлялась из 90 пшеничных зерен, уложенных плотно одно за другим. В поисках неизменяющейся меры и древние арабы применяли в качестве «эталона» длину пшеничного зерна. Индусы и евреи пользовались в древнейшие времена ячменными зернами для определения измеряемой длины или веса.

В 1496 г. в соответствии с упомянутым законом был изготовлен в Англии основной эталон ярда из латунного стержня восьмиугольного сечения. Этот эталон служил до 1588 г. При королеве Елизавете его заменили новым, также латунным стержнем, но прямоугольного сечения. Оба ярда теперь не служат уже, конечно, эталонами и хранятся только как исторические памятники мерительного дела, но интересно отметить, что от современного эталона, изготовленного в 1845 г. с помощью весьма точных измерительных приборов, они отличаются лишь на несколько сотых дюйма.

Второй ярд, изготовленный в 1588 г., служит до 1824 г. И первый и второй эталоны ярда были концевыми, т. е. точный размер ярда определялся расстоянием между поверхностями концевых срезов стержня. Развитие техники оптических измерений позволило изготовить новый ярд в 1824 г. в виде штриховой меры. т. е. в виде стержня, на котором длина ярда была весьма точно отмечена двумя параллельными штрихами. Этот точный ярд — основная мера всей системы измерений — погиб в 1834 г. при пожаре английского парламента, где он хранился. Пришлось делать новый эталон «наощупь», так как его изготовили на основе сравнения нескольких существующих копий ярда 1824 г. Если бы ярд представлял собой меру, равную по величине какому-либо неизменному предмету окружающей нас природы, всегда имелась бы возможность восстановить его с необходимой степенью точности или проверить его величину. Но таких предметов в природе нет.

*

Многообразие и непостоянство основных мер были устранены лишь с введением метрической системы мер и весов, возникшей во время французской революции (1795 г.).

Не случайно метрическая система мер, введение которой само по себе знаменовало революцию в мировой мерительной системе, возникла во Франции и именно в этот период. Французская революция дала толчок развитию уже ранее зародившихся мыслей ученых о необходимости создания природного эталона постоянной линейной меры. Революционная власть Франции дала ученым возможность организовать и осуществить необходимые работы

Французские ученые измерили одну четверть земного меридиана, проходящего через Париж, и в качестве природной неизменяемой меры выбрали одну десятимиллионную часть четверти этого меридиана, назвав ее метром. Свои измерения меридиана ученые произвели с помощью старой французской меры — туаза. Исторической заслугой этой меры навсегда останется та роль, которую она играла в деле создания метрической системы.

Еще в конце XVI века на наружной стене одного старинного замка в Париже, около тяжелых ворот, был укреплен железный стержень с двумя выступами на концах. Получилось нечто вроде современной мерительной скобы. Расстояние между выступами выражало собой величину туаза, основной в те времена французской меры длины. Туаз делился на 6 футов, фут — на 12 дюймов, дюйм — на 12 линий. Каждый желающий мог сравнить величину своего туаза с эталоном на стене.

На наружной стене старинного замка был укреплен железный стержень с двумя выступами на концах эталон — туаза. Желающий мог проверить величину своего туаза по эталону на стене.
Рис. Н. СМОЛЬЯНИНОВА

Правильным считался тот туаз, который более или менее туго проходил между выступами эталона. Полагали, что сравнение с эталоном обеспечивает точность около 0,05 линий (около 0,1 нм). Фактически же такая точность не достигалась; стержень прогибался, искажая величину расстояния между выступами, поверхности изнашивались, ржавчина съедала металл. В 1668 г. размер стержня настолько исказился, что пришлось изготовить новый эталон. Этот эталон внешне был сходен со старым, но размер между выступами на этот раз был выбран меньше старого на 5 линий. Достоверных данных о причине такого измерения нет. Существует мнение, что расстояние между выступами нового эталона соответствовало половине ширины наружных ворот замка, полная ширина которых равнялась 12 футам.

По размеру нового туаза было изготовлено несколько копий. Двумя из них воспользовались, когда в 1735— 1737 гг. было предпринято в Перу (в Южной Америке) и Лапландии (на крайнем севере Европы) измерение длины меридиана, соответствующей одному градусу с целью определения величины диаметра земного шара. Туаз, которым производили измерения в Перу, был назван перуанским туазом, а второй, которым производили измерения в Лапландии, — северным туазом.

Во время перевозки северного туаза корабль потерпел крушение. Туаз спасли, но величина его претерпела такие изменения, что им уже нельзя было пользоваться в качестве образцовой меры. Перуанский же туаз был благополучно доставлен в 1747 г. во Францию. К этому времени новый французский эталон туаза, изготовленный в 1668 г., пришел в негодность. И вот, 16 мая 1766 г. перуанский туаз был объявлен основным эталоном французских линейных мер.

Перуанский туаз представлял собой кованый, полированный железный стержень прямоугольного сечения в 40,1×77 мм.

Новый туаз служил эталоном французских линейных мер до введения метрической системы и являлся ее основой. Именно этой мерой, как мы уже упоминали, французские ученые произвели измерения длины меридиана. Длина эта, выраженная в туазах, будучи разделена на 40 000 000, давала величину метра — 0,51307407 туаза. Таким образом, туаз оказался равным 1,9490363 м (приближенно 1,95 м).

Французские ученые Мешен и Деламбр измерили дугу парижского меридиана между г. Дюнкирхеном (Франция) и Барселоной (Испания). Одна база была выбрана около города Мелюн, а другая — в районе города Перпиньян. Для измерения были использованы новейшие достижения мерительной техники и геодезии того времени. В результате этого измерения, длившегося шесть лет (1792—1798 гг.), была получена новая единица длины —  метр, величина которого, как тогда были уверены ученые, всегда может быть восстановлена путем измерения длины парижского меридиана.

Таким образом, основной эталон метра являлся как бы копией природного неизменного образца. Метр стал основной мерой новой метрической системы мер.

*

Французская комиссия мер и весов во времена Французской резолюции так отзывалась о новой системе: «Определение этих мер и весов, взятое из природы и тем самым освобожденное от всякого произвола, будет ныне устойчивым, непоколебимым и неизменным, как сама природа. Арифметика, упрощенная десятичным исчислением, станет доступной всем, и таким образом, отпадет еще одна причина неравенства между людьми». Права ли была комиссия? Не совсем, и в самом главном, пожалуй, вовсе неправа, а именно в том, что основная единица новой системы — метр — будто бы «освобождена от всякого произвола». Когда французские ученые измерили меридиан, они определили метр, как 1/40 000 000 его часть. Следовательно, длина земного меридиана, проходящего через Париж, равнялась по их расчету 40 000 000 м. Однако, позднейшие измерения Парижского меридиана показали, что его длина несколько больше, а именно — на 3 423 м. Таким образом, первый основной эталон метра, изготовленный по результатам первого измерения и утвержденный в 1799 г., оказался фактически меньше 1/40 000 000 части меридиана.

Уже в конце XIX века ученые получили возможность, используя длину световых волн, производить измерения с настолько высокой степенью точности, что многократные измерения одной и той же величины не показали какого-либо различия. Метр, выраженный в длинах этих волн, получил ту устойчивость, к которой стремились ученые на протяжении стольких лет. Приборы для таких измерений называются интерферометрами.

Поверяемая плитка плотно притерта к стеклу вместе с эталоном. Наложенное сверху стекло образует воздушные слои неровной толщины (если плитка не совпадает). Этот слой обнаруживается спектральными световыми волнами, возникающими под каждой из плиток.

Огромным достоинством новой системы мер явилась ее десятикратность. Каждая величина этой системы образуется путем деления или умножения основной меры на число, кратное 10. Основная мера — метр, деленная на 1000, 100, 10, дает соответственно миллиметр, сантиметр и дециметр, а умноженная на 1000 — километр. Все вычисления по новой системе производятся очень легко.

Заслуга французских ученых заключалась в том, что они ввели в систему мер десятичную систему исчисления, которая зародилась еще в древние времена, когда человек считал по пальцам рук (десять пальцев): Индусы вооружили эту примитивную, но удобную систему счета изображенными ими, цифрами от 0 до 9. В XIII веке эта система проникла в Европу,

Вторым преимуществом новой системы явилось установление твердой зависимости между линейными и весовыми мерами. Вообразите себе куб чистой дистиллированной воды со стороной, равной одному сантиметру, и при температуре в 4° по термометру Цельсия (температура воды наибольшей плотности). Вес этого куба и был принят за основную весовую единицу метрической системы и назван граммом. Умножая грамм на 1 000, на 100 000 и на 1 000 000, мы соответственно получаем килограмм, центнер и тонну, а разделив на 1000, — миллиграмм, т. е. наиболее употребительные наши весовые величины. У вавилонян еще задолго до нашей эры весовые меры тоже были связаны с линейными и с единицами времени. Вавилонская -весовая единица — «талант» (большой талант = 60,6 кг, малый талант = 130,3 кг) представляла собой вес воды, заполняющей сосуд определенного объема и вытекающей из него при постоянных условиях в определенный промежуток времени.

*

7 апреля 1795 г., день объявления Национальным конвентом Французской республики закона о введении метрической системы мер и весов, следует считать днем рождения метра как эталона длины, выступившего в качестве кандидата на звание международного прототипа. К этому времени в мире мер господствовал английский ярд, насчитывавший уже несколько сот лет существования. Подразделения ярда — дюйм и фут — прочно утвердились в промышленности и торговле ряда передовых стран. Дюймовая система прочно укрепилась на занятых позициях, и метр был встречен враждебно. Уже само определение метрической системы, которое ей было дано французской комиссией мер и весов, предвещало, что новая система, кроме друзей, приобретет и врагов. Именно то ее достоинство, что она упрощала технику отсчетов и была призвана к созданию единого мерительного языка во всем мире, сообщало новой системе революционный характер, который препятствовал ее введению.

Метр имел много врагов в самой Франции. Французский император Наполеон в 1809 г. отменил метрическую систему. Но преимущества ее все же были слишком очевидны. К этому времени метр, как сказано выше, уже потерял свое значение природной меры, но стройность системы и легкость практического усвоения обезоруживали противников. Нарождающееся производство взаимозаменяемых деталей машин настоятельно требовало, в качестве условия своего развития, единой измерительной базы.

В 1836 г. метрическая система была восстановлена во Франции, и с этого времени шаг за шагом отвоевывала позиции у ярда. Количество сторонников метра, как международного эталона, возрастало.

В 1872 г. в Париже собралась Международная метрическая комиссия из представителей тридцати стран. Комиссия предложила изготовить новый прототип метра по размеру первого прототипа (архивного). Первый прототип метра был изготовлен в виде концевой меры, т. е. его размер точно выражался расстоянием между срезами стержня. Это вело к искажениям вследствие износа поверхности срезов от соприкосновения с контактами держателя.

Новый прототип изготовили в виде штриховой меры, т. е. точный размер метра выражался расстоянием между двумя штрихами на поверхности стержня, вся длина которого равнялась 102 см. Прототип был изготовлен из сплава платины с металлом иридием. Этот материал (90 проц. платины и 10 проц. иридия) отличается высокой твердостью, неокисляемостью и стойкостью против изменений размеров с течением времени. Новый прототип был провозглашен комиссией международным эталоном мер протяжения. В 1888 г. в Севре, под Парижем, было организовано Международное бюро мер и весов — место хранения эталона линейных мер — метра и эталона веса — килограмма. Здание бюро, по соглашению с правительством Французской республики, было объявлено международным и независимым. В 1691 г. были изготовлены копии международного метра и распределены между странами — участницами Международного бюро. По жребию Россия получила две копии: № 11 и № 28. Первая хранится в Академии наук, а вторая — во Всесоюзном институте метрологии и стандартизации (ВИМС). Были распределены 34 копии международного эталона.

Начиная с этого времени, метр как эталон проникает во все страны континентальной Европы, а также в Японию (1885 г.) и в Турцию (1933 г.). В Англии же метрическая система в 1807 г. была только допущена к применению на основании точно установленных соотношений между метром и основным эталоном — ярдом. Во многих странах, принявших международный эталон и метрическую систему, одновременно допускается и применение дюймовой системы. У нас метрическая система была объявлена обязательной декретом Совнаркома от 14 сентября 1918 года.

Прибор компаратор, применяемый в Международном бюро мер и весов для точных сравнений поверяемых эталонов метра с образцовым.

*

Международный прототип метра представляет собой платино-иридиевый стержень с сечением X образной формы. Длина стержня, как уже было сказано, равняется 102 см. На верхней поверхности полки стержня на каждом конце нанесено по три поперечных штриха. Расстояние между двумя средними штрихами обеих групп определяет длину метра. Толщина каждого штриха 6—8 микрон (микрон = 0,001 мм), а промежутки между штрихами равны 0,5 мм.

Ось метра обозначена двумя нанесенными также на концах полки стержня продольными штрихами с промежутком между ними в 0,2 мм.

Форма сечения прототипа также выбрана не произвольно. Попробуем разобраться, почему понадобилась именно такая форма. Если стержень положить на какую-либо даже точно обработанную поверхность, то нижняя поверхность стержня не всеми точками совпадает с опорной поверхностью. Вследствие этого стержень потеряет свою прямолинейность.

Между верхней и нижней поверхностями существует нейтральный слой, в плоскости которого расстояние между штрихами настолько мало изменяется, что этим изменением можно пренебречь. Расположение нейтрального слоя зависит от расположения точек, на которых покоится стержень. Чтобы избежать произвола в этом вопросе, известный германский ученый, астроном Бессель, произвел исследование и установил, что наивыгоднейшие точки опоры стержня расположены на расстоянии 2/9 длины стержня от каждого его конца. При таком расположении опор изменения длины стержня в результате провеса имеют наименьшую величину. Точки эти так и названы точками Бессиля. При этом нейтральный слой располагается на середине сечения стержня. Поэтому международному прототипу придали X-образную форму (расчет этой формы произведен ученым Треска), а штрихи, совпадающие с нейтральным слоем, перенесли на его полку. Первый французский «архивный» метр был изготовлен из платинового стержня прямоугольного сечения с высотой, равной 4 мм. Когда стержень укладывали на опоры (по краям), величина его изменилась приблизительно на 0,4 мм.

Международный эталон метра хранится в специальном помещении, огражденном от влияния толчков или температурных изменений.