Метр – мера земная

метр

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?

Об этом читайте уже в следующей статье.

Автор: Р. Яров.

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что метр на самом деле знаком многим из нас еще со школы. Думаю, многие отлично помнят решебник по математике за 3 класс с его задачами на различные меры длинны: сантиметры, дециметры, собственно метры, километры. Но вот почему установилась именно такая длина метра, и какова его история, об этом вы уже узнали из нашей статьи.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *