Historia systemu metrycznego - History of the metric system

Kraje korzystające z systemów metrycznych , imperialnych i zwyczajowych USA od 2019 r.

Historia systemu metrycznego rozpoczęła się w epoce oświecenia od miar długości i wagi pochodzących z natury , wraz z ich dziesiętnymi wielokrotnościami i ułamkami. W ciągu pół wieku system stał się standardem we Francji i Europie. Dodano inne miary ze współczynnikami jedności, a system został przyjęty na całym świecie.

Pierwsza praktyczna realizacja systemu metrycznego nastąpiła w 1799 r., podczas rewolucji francuskiej , po tym, jak dotychczasowy system miar stał się niepraktyczny dla handlu i został zastąpiony systemem dziesiętnym opartym na kilogramach i metrach . Podstawowe jednostki zostały zaczerpnięte ze świata przyrody. Jednostka długości, metr, opierała się na wymiarach Ziemi , a jednostka masy , kilogram, była oparta na masie wody o objętości jednego litra ( decymetr sześcienny ). Kopie referencyjne dla obu jednostek zostały wykonane z platyny i utrzymywały standardy miary przez następne 90 lat. Po okresie powrotu do mesures usuelles z powodu niepopularności systemu metrycznego, metrykalność Francji i znacznej części Europy została zakończona w latach pięćdziesiątych XIX wieku.

W połowie XIX wieku James Clerk Maxwell wymyślił spójny system, w którym niewielką liczbę jednostek miary zdefiniowano jako jednostki podstawowe , a wszystkie inne jednostki miary, zwane jednostkami pochodnymi , zdefiniowano w kategoriach jednostek podstawowych. Maxwell zaproponował trzy podstawowe jednostki długości, masy i czasu. Postępy w elektromagnetyzmie w XIX wieku wymusiły zdefiniowanie dodatkowych jednostek i wprowadzono do użytku wiele niekompatybilnych systemów takich jednostek; żaden nie mógł być pogodzony z istniejącym systemem wymiarowym. Impas został rozwiązany przez Giovanniego Giorgi , który w 1901 roku udowodnił, że spójny system zawierający jednostki elektromagnetyczne wymaga czwartej jednostki podstawowej, elektromagnetyzmu.

Przełomowy Traktat z 1875 r. zaowocował opracowaniem i dystrybucją artefaktów metrowych i kilogramowych, standardów przyszłego spójnego systemu, który stał się SI, oraz utworzeniem międzynarodowego organu Conférence générale des poids et mesures lub CGPM do nadzorowania systemów wagi i miary na nich oparte.

W 1960 roku CGPM uruchomił Międzynarodowy System Jednostek (w języku francuskim Système international d'unités lub SI) z sześcioma „jednostkami podstawowymi”: metr, kilogram, sekunda , amper , stopień Kelvina (później przemianowany na „kelwin”) i candela , plus 16 dodatkowych jednostek pochodzących z jednostek podstawowych. Siódma jednostka podstawowa, kret i sześć innych jednostek pochodnych dodano później w XX wieku. W tym okresie, miernik został na nowo pod względem prędkości światła, a drugi został na nowo w oparciu o mikrofalowym częstotliwości z cezu zegara atomowego .

Ze względu na niestabilność międzynarodowego prototypu kilograma podjęto szereg inicjatyw, począwszy od końca XX wieku, aby przedefiniować amper, kilogram, mol i kelwin w kategoriach stałych niezmienniczych fizyki , co ostatecznie doprowadziło do redefinicji w 2019 roku podstawowych jednostek SI , co ostatecznie wyeliminowało potrzebę jakichkolwiek fizycznych artefaktów odniesienia – w szczególności umożliwiło to wycofanie standardowego kilograma.

Wiek Oświecenia

Fundamentalne aspekty matematyki, wraz ze wzrostem zrozumienia świata przyrody w okresie Oświecenia, przygotowały grunt pod powstanie pod koniec XVIII wieku systemu miar z racjonalnie powiązanymi jednostkami i zasadami ich łączenia.

Preambuła

Na początku IX wieku, kiedy to, co później stało się Francją, było częścią Świętego Cesarstwa Rzymskiego , cesarz Karol Wielki ujednolicił jednostki miary . W całym swoim imperium wprowadził standardowe jednostki miary długości i masy. Gdy imperium rozpadło się na odrębne narody, w tym Francję, standardy te rozeszły się. W Anglii Magna Carta (1215) stanowiła, że ​​„W całym królestwie obowiązywać będą standardowe miary wina, piwa i kukurydzy (dzielnica londyńska). mianowicie dwa łokcie w obrębie krajki. Masy mają być ujednolicone podobnie."

Podczas wczesnej średniowiecznej epoki , cyfry rzymskie były używane w Europie do reprezentowania liczb, ale Arabowie reprezentowane za pomocą numerów systemie liczbowym hinduskiej , a pozycyjny zapis , że użyty dziesięć symboli. Około 1202 r. Fibonacci opublikował swoją książkę Liber Abaci (Księga obliczeń), która wprowadziła pojęcie notacji pozycyjnej do Europy. Symbole te przekształciły się w cyfry „0”, „1”, „2” itd. W tym czasie istniał spór dotyczący różnicy między liczbami wymiernymi a niewymiernymi i nie było spójności w sposobie przedstawiania ułamków dziesiętnych.

Simonowi Stevinowi przypisuje się wprowadzenie systemu dziesiętnego do powszechnego użytku w Europie. W 1586 opublikował małą broszurę zatytułowaną De Thiende („dziesiąty”), którą historycy uznają za podstawę nowoczesnego zapisu ułamków dziesiętnych. Stevin uważał, że ta innowacja była tak znacząca, że ​​ogłosił, iż powszechne wprowadzenie monet dziesiętnych, miar i wag jest jedynie kwestią czasu.

Miary ciała i artefakty

Od czasów Karola Wielkiego miara długości była miarą ciała, od czubka palca do czubka palca wyciągniętych ramion dużego mężczyzny, z rodziny miar ciała zwanych sążniami , pierwotnie używanych między innymi do pomiaru głębokości Z wody. Artefakt reprezentujący sztandar został odlany z najtrwalszej substancji dostępnej w średniowieczu, żelaznej sztabki. Problemy z nieodtwarzalnym artefaktem ujawniły się na przestrzeni wieków: zardzewiał, został skradziony, wbity w zamortyzowaną ścianę, aż wygiął się, a czasem ginął. Kiedy trzeba było rzucić nowy sztandar królewski, był to inny sztandar niż stary, więc powstały i używane były repliki starych i nowych. Artefakt istniał do XVIII wieku i został nazwany teise lub później toise (od łacińskiego czasu : rozpostarte (ramiona)). Doprowadziłoby to do poszukiwania w XVIII wieku odtwarzalnego standardu opartego na jakiejś niezmiennej miarze świata przyrody.

Zegary i wahadła

W 1656 roku holenderski naukowiec Christiaan Huygens wynalazł zegar z wahadłem, którego wahadło oznaczało sekundy. To zrodziło propozycje wykorzystania jego długości jako standardowej jednostki. Okazało się jednak, że długości wahadła kalibrowanych zegarów w różnych lokalizacjach były różne (ze względu na lokalne zmiany przyspieszenia spowodowane grawitacją ) i nie było to dobre rozwiązanie. Potrzebny był bardziej jednolity standard.

W 1670 roku Gabriel Mouton , francuski opat i astronom, opublikował książkę Observationes diametrorum solis et lunae pozorium („Obserwacje pozornych średnic Słońca i Księżyca”), w której zaproponował dziesiętny system pomiaru długości do wykorzystania przez naukowców w komunikacji międzynarodowej, która ma być oparta na wymiarach Ziemi. Milliare byłyby zdefiniowane jako minutę łuku wzdłuż południka i zostanie podzielony na 10 Centurii, The CENTURIA do 10 decuria i tak dalej, kolejne zespoły są virgi, virgula, decima, centesima, a millesima. Mouton użył szacunków Riccioli, że jeden stopień łuku wynosił 321 185 stóp bolońskich, a jego własne eksperymenty wykazały, że wahadło o długości jednej wirguli pokonałoby 3959,2 razy w ciągu pół godziny. Wierzył, że dzięki tej informacji naukowcy w obcym kraju będą w stanie skonstruować kopię virguli na własny użytek. Pomysły Moutona wzbudziły wówczas zainteresowanie; Picard w dziele Mesure de la Terre (1671) i Huygens w dziele Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum („O oscylujących zegarach, czyli o ruchu wahadeł”, 1673) obaj proponowali powiązanie standardowej jednostki długości z częstotliwość uderzeń wahadła.

Kształt i wielkość Ziemi

Co najmniej od średniowiecza Ziemia była postrzegana jako wieczna, niezmienna i o symetrycznym kształcie (zbliżonym do kuli), więc było naturalne, że jako miarę długości zaproponowano jakąś ułamkową miarę jej powierzchni. Ale najpierw trzeba było uzyskać naukowe informacje o kształcie i rozmiarze Ziemi.

W 1669 r. Jean Picard , francuski astronom, był pierwszą osobą, która dokonała dokładnego pomiaru Ziemi. W badaniu obejmującym jeden stopień szerokości geograficznej popełnił błąd tylko o 0,44% ( pomiar łuku Picarda ).

W Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1686) Izaak Newton podał teoretyczne wyjaśnienie „wybrzuszenia równika”, które wyjaśniało również różnice w długości „drugiego wahadła”, teorie, które zostały potwierdzone przez francuską misję geodezyjną w Peru, podjętą przez Francuskiej Akademii Nauk w 1735 roku.

Koniec XVIII wieku: konflikt i znużenie

James Watt , brytyjski wynalazca i zwolennik międzynarodowego systemu miar dziesiętnych

W połowie XVIII wieku stało się jasne, że konieczne jest ujednolicenie miar i wag między narodami, które handlują i wymieniają między sobą poglądy naukowe. Na przykład Hiszpania zrównała swoje jednostki miary z jednostkami królewskimi Francji. a Piotr Wielki wyrównał rosyjskie jednostki miary z angielskimi. W 1783 r. brytyjski wynalazca James Watt , mający trudności w porozumiewaniu się z niemieckimi naukowcami, wezwał do stworzenia globalnego systemu dziesiętnego, proponując system, który wykorzystywałby gęstość wody do powiązania długości i masy, a w 1788 r. francuski chemik Antoine Lavoisier zamówił zestaw dziewięciu mosiężnych cylindrów (funt [francuski] i jego podział dziesiętny) do swojej pracy eksperymentalnej.

W 1790 r. w brytyjskim parlamencie i w Kongresie Stanów Zjednoczonych odrzucona została propozycja skierowana przez Francuzów do Wielkiej Brytanii i Stanów Zjednoczonych, aby ustanowić jednolitą miarę długości, metr oparty na okresie wahadła z uderzeniem jednej sekundy. . Podstawowym problemem był brak uzgodnienia szerokości geograficznej definicji, ponieważ przyspieszenie grawitacyjne, a tym samym długość wahadła, różni się (między innymi) w zależności od szerokości geograficznej: każda ze stron chciała, aby definicja była zgodna z główną szerokością geograficzną przechodzącą przez ich kraj. Bezpośrednimi konsekwencjami niepowodzenia był francuski jednostronny rozwój i rozmieszczenie systemu metrycznego oraz jego rozprzestrzenienie się poprzez handel na kontynencie; brytyjskie przyjęcie cesarskiego systemu miar w całym królestwie w 1824 r.; oraz utrzymanie przez Stany Zjednoczone brytyjskiego wspólnego systemu środków, który obowiązywał w czasie niepodległości kolonii. Taka sytuacja trwała prawie przez następne 200 lat.

Wdrożenie w rewolucyjnej Francji

Wagi i miary Ancien Regime

Szacuje się, że w przededniu rewolucji w 1789 r. około osiemset jednostek miar używanych we Francji miało do ćwierć miliona różnych definicji, ponieważ ilość związana z każdą jednostką mogła różnić się w zależności od miasta. a nawet od handlu do handlu. Chociaż niektóre standardy, takie jak pied du roi (stopa króla) miały pewien stopień prymatu i były stosowane przez naukowców, wielu kupców zdecydowało się na użycie własnych urządzeń pomiarowych, co stwarzało pole do oszustw i utrudniało handel i przemysł. Różnice te były promowane przez lokalne interesy partykularne, ale utrudniały handel i opodatkowanie.

Jednostki wagi i długości

Markiz de Condorcet – XVIII-wieczny francuski podżegacz systemu metrycznego

W 1790 roku Académie des sciences powołała panel pięciu czołowych francuskich naukowców do badania wag i miar. Byli to Jean-Charles de Borda , Joseph-Louis Lagrange , Pierre-Simon Laplace , Gaspard Monge i Nicolas de Condorcet . W następnym roku panel, po przestudiowaniu różnych alternatyw, przedstawił szereg zaleceń dotyczących nowego systemu wag i miar, w tym, że powinien on mieć podstawę dziesiętną , że jednostka długości powinna być oparta na łuku ułamkowym kwadrant południka Ziemi, a jednostką wagi powinna być kostka wody, której wymiar był ułamkiem dziesiętnym jednostki długości. Propozycje zostały przyjęte przez Zgromadzenie Francuskie w dniu 30 marca 1791 r.

Po akceptacji, Académie des sciences polecono wdrożyć propozycje. Académie złamał zadań na pięć operacji, przydzielając każdej części do osobnej grupy roboczej :

• Mierzenie różnicy szerokości geograficznej między Dunkierką a Barceloną i dokonywanie triangulacji między nimi
• Pomiar linii bazowych użytych w ankiecie
• Sprawdzenie długości drugiego wahadła na 45° szerokości geograficznej.
• Sprawdzenie masy w próżni określonej objętości wody destylowanej.
• Publikowanie tabel przeliczeniowych dotyczących nowych jednostek miar z istniejącymi jednostkami miar.

Panel zdecydował, że nowa miara długości powinna być równa jednej dziesięciomilionowej odległości od bieguna północnego do równika ( kwadrantu Ziemi ), mierzonej wzdłuż południka Paryża .

Korzystając z pomiarów Jeana Picarda z 1670 r. i Jacquesa Cassiniego z 1718 r., do miernika przypisano prowizoryczną wartość 443,44 lignes , która z kolei określała inne jednostki miary.

Podczas gdy Méchain i Delambre kończyli ankietę, komisja zamówiła serię sztabek platynowych, które miały być wykonane na podstawie prowizorycznego metra. Gdy wynik końcowy był znany, wybierany był pręt, którego długość była najbliższa południkowej definicji metra.

Po 1792 r. przyjęto nazwę pierwotnie zdefiniowanej jednostki masy „ gram ”, która była zbyt mała, aby służyć jako praktyczna realizacja do wielu celów, dodano do niej nowy przedrostek „kilo” tworząc nazwę „ kilogram ”. . W związku z tym kilogram jest jedyną jednostką podstawową SI, która ma przedrostek SI jako część nazwy jednostki. Opracowano prowizoryczny wzorzec kilograma i zlecono prace mające na celu określenie dokładnej masy decymetra sześciennego (później zdefiniowanego jako jeden litr ) wody. Regulacja handlu i handlu wymagała „praktycznej realizacji”: jednoczęściowego, metalicznego wzorca odniesienia, który byłby tysiąc razy masywniejszy niż grób . Ta jednostka masy zdefiniowana przez Lavoisiera i René Justa Haüya była używana od 1793 roku. Ta nowa, praktyczna realizacja stała się ostatecznie podstawową jednostką masy. Dnia 7 kwietnia 1795 r. gram , na którym opiera się kilogram, został dekretowany jako równy „bezwzględnej masie objętości czystej wody równej sześcianowi jednej setnej metra i w temperaturze topnienia lodu ”. Chociaż definicja kilograma określała wodę o temperaturze 0 °C – bardzo stabilnym punkcie temperatury – została zastąpiona temperaturą, w której woda osiąga maksymalną gęstość. Ta temperatura, około 4 °C, nie była dokładnie znana, ale jedną z zalet nowej definicji było to, że dokładna wartość temperatury w stopniach Celsjusza nie była w rzeczywistości istotna. Ostateczny wniosek był taki, że jeden decymetr sześcienny wody w swojej maksymalnej gęstości to 99,92072% masy prowizorycznego kilograma.

7 kwietnia 1795 r. system metryczny został formalnie zdefiniowany w prawie francuskim. Zdefiniowano sześć nowych jednostek dziesiętnych:

• Mètre , na długości - zdefiniowany jako jeden dziesięć-milionowej odległości pomiędzy biegunem północnym a równikiem poprzez Paryżu
• Są  100 m ( ² ) na powierzchni [ziemi]
• Stère  (1 m ³ ), o objętości opałowego
• Litr  (1 dm ³ ) do objętości cieczy
• Gram na masę - definiuje się jako ciężar jednego centymetra sześciennego wody
• Frank , za waluty.

Uwaga historyczna: tylko zdefiniowany tutaj metr i (kilo)gram stał się częścią późniejszych systemów metrycznych.

Dziesiętne wielokrotności tych jednostek zostały określone przez przedrostki greckie : „ myria- ” (10 000), „ kilo- ” (1000), „ hekto- ” (100) i „ deka- ” (10), a podwielokrotności zostały określone przez przedrostki łacińskie „ decy- ” (0,1), „ centy- ” (0,01) i „ mili- ” (0,001).

Projekt definicji z 1795 r. umożliwił skonstruowanie prowizorycznych kopii kilogramów i metrów.

Pomiar południkowy

Północne i południowe sekcje południkowego przeglądu spotkały się w katedrze Rodez , widocznej tutaj dominującej nad panoramą Rodez

Zadanie zbadania łuku południka , które szacowano na dwa lata, przypadło Pierre'owi Méchainowi i Jean-Baptiste Delambre'owi . Zadanie trwało ostatecznie ponad sześć lat (1792–1798) z opóźnieniami spowodowanymi nie tylko nieprzewidzianymi trudnościami technicznymi, ale także konwulsyjnym okresem następstw rewolucji. Poza oczywistymi względami nacjonalistycznymi, południk Paryża był również dobrym wyborem z praktycznych względów naukowych: część kwadrantu od Dunkierki do Barcelony (około 1000 km, czyli jedna dziesiąta całości) mogła być badana z początkiem i końcem -punkty na poziomie morza, a ta część znajdowała się mniej więcej w środku kwadrantu, gdzie spodziewano się, że skutki spłaszczenia Ziemi będą największe.

Projekt został podzielony na dwie części - północnej części 742.7 km od Dzwonnica, Dunkierki do katedry Rodez który badanej przez Delambre i południowym odcinku 333,0 km od Rodez do Montjuïc Fortecy , Barcelona , która była badana przez Méchain.

Południk paryski przechodzący przez Obserwatorium Paryskie ( Observatoire de Paris ). Metr został zdefiniowany wzdłuż tego południka za pomocą ankiety, która rozciągała się od Dunkierki do Barcelony .

Delambre użył linii bazowej o długości około 10 km wzdłuż prostej drogi, położonej w pobliżu Melun . W operacji trwającej sześć tygodni, linia bazowa została dokładnie zmierzona za pomocą czterech platynowych prętów, każdy o długości dwóch palców (około 3,9 m). Następnie używał, tam gdzie to możliwe, punktów triangulacji używanych przez Cassiniego w jego badaniu Francji z 1744 roku. Linia bazowa Méchaina, o podobnej długości, a także na prostym odcinku drogi, znajdowała się w obszarze Perpignan . Chociaż sektor Méchain był o połowę krótszy od Delambre, obejmował Pireneje i dotychczas nie zbadane części Hiszpanii. Po spotkaniu dwóch geodetów, każdy z nich obliczył linię bazową drugiego w celu sprawdzenia swoich wyników, a następnie przeliczyli miernik jako 443,296  lignes , znacznie krótszy niż 1795 prowizoryczna wartość 443,44  lignes 15 listopada 1798 r. Delambre i Méchain wrócili do Paryża z swoich danych, po wypełnieniu ankiety. Ostateczna wartość metra została określona w 1799 roku jako wartość obliczona z badania.

Nota historyczna: Szybko okazało się, że wynik Méchaina i Delambre (443.296  lignes ) jest nieco za krótki dla południkowej definicji metra. Méchain popełnił mały błąd mierząc szerokość geograficzną Barcelony, więc ponownie ją zmierzył, ale drugi zestaw pomiarów zachował w tajemnicy.

Francuski system metryczny

W czerwcu 1799 wyprodukowano prototypy platynowe według zmierzonych ilości, mètre des archives określono jako długość 443,296 lignes, a kilogram des archives określono jako wagę 18827,15 ziaren livre poids de marc i wprowadzono do francuskie archiwa narodowe. W grudniu tego roku oparty na nich system metryczny stał się z mocy prawa jedynym systemem miar i wag we Francji od 1801 do 1812 roku.

Pomimo prawa ludność nadal korzystała ze starych środków. W 1812 roku Napoleon unieważnił prawo i wydał tzw. mesures usuelles , przywracając nazwy i wielkości zwyczajowych miar, ale przedefiniowując je jako okrągłe wielokrotności jednostek metrycznych, więc był to rodzaj systemu hybrydowego. W 1837 r., po upadku cesarstwa napoleońskiego, nowe Zgromadzenie ponownie narzuciło system metryczny zdefiniowany w ustawach z 1795 i 1799 r., który wszedł w życie w 1840 r. Ukończenie systemu metrycznego we Francji trwało do około 1858 r. Niektóre ze starych nazw jednostek, zwłaszcza livre , pierwotnie jednostka masy wywodząca się z rzymskiej libra (tak jak angielski funt ), ale teraz oznaczająca 500 gramów, są nadal w użyciu.

Rozwój niespójnych systemów metrycznych

Na początku XIX wieku artefakty Francuskiej Akademii Nauk dotyczące długości i masy były jedynymi powstającymi jednostkami systemu metrycznego, które zostały zdefiniowane w kategoriach standardów formalnych . Inne oparte na nich jednostki, z wyjątkiem litra, okazały się krótkotrwałe. Zegary wahadłowe, które potrafiły odmierzać czas w sekundach, były używane przez około 150 lat, ale ich geometria była lokalna zarówno dla szerokości geograficznej, jak i wysokości, więc nie było standardu pomiaru czasu. Jednostka czasu nie została również uznana za podstawową jednostkę do wyprowadzania takich rzeczy jak siła i przyspieszenie. Niektóre ilości elektryczności, takie jak ładunek i potencjał, zostały zidentyfikowane, ale nazwy i wzajemne powiązania jednostek nie zostały jeszcze ustalone. Istniały zarówno skale Fahrenheita (~1724), jak i Celsjusza (~1742), a także różne instrumenty do pomiaru jednostek lub stopni. Baza / pochodzi modelu jednostka nie została jeszcze opracowana, nie było wiadomo, ilu wielkości fizyczne mogą być ze sobą powiązane.

Model powiązanych ze sobą jednostek został po raz pierwszy zaproponowany w 1861 r. przez Brytyjskie Stowarzyszenie Postępu Naukowego (BAAS) w oparciu o to, co nazwano jednostkami „mechanicznymi” (długość, masa i czas). W kolejnych dziesięcioleciach ta podstawa umożliwiła skorelowanie jednostek mechanicznych , elektrycznych i termicznych .

Czas

W 1832 roku niemiecki matematyk Carl-Friedrich Gauss dokonał pierwszych bezwzględnych pomiarów pola magnetycznego Ziemi przy użyciu systemu dziesiętnego opartego na milimetrach, miligramach i sekundach jako podstawowej jednostce czasu. Sekunda Gaussa opierała się na astronomicznych obserwacjach obrotu Ziemi i była sześciodziesiętną sekundą starożytnych: podział dnia słonecznego na dwa cykle po 12 okresów, a każdy okres podzielony na 60 interwałów, a każdy interwał tak podzielony ponownie, tak że sekunda była 1/86 400 dnia. To skutecznie ustanowiło wymiar czasowy jako niezbędny składnik każdego użytecznego systemu miar, a sekundę astronomiczną jako jednostkę podstawową.

Praca i energia

Aparat Joule'a do pomiaru mechanicznego równoważnika ciepła. Wraz ze spadkiem masy energia potencjalna była przekazywana do wody, podgrzewając ją.

W artykule opublikowanym w 1843 roku, James Joule pierwszy wykazano, środki do pomiaru energii przenoszone między różnymi systemami, gdy pracuje się z tym samym odnoszące Nicolas Clément jest kalorii , zdefiniowanego w 1824 jako „ilości ciepła wymaganego do zwiększenia temperatury 1 kg wody od 0 do 1°C przy ciśnieniu 1 atmosfery” do pracy mechanicznej . Energia stała się jednoczącą koncepcją dziewiętnastowiecznej nauki , początkowo przez połączenie termodynamiki i mechaniki, a później poprzez dodanie technologii elektrycznej .

Pierwszy ustrukturyzowany system metryczny: CGS

W 1861 r. komitet Brytyjskiego Stowarzyszenia na rzecz Postępu Nauki (BAAS), w skład którego wchodził William Thomson (później Lord Kelvin) , James Clerk Maxwell i James Prescott Joule, otrzymał zadanie zbadania „Standardów Oporu Elektrycznego”. W swoim pierwszym raporcie (1862) określili podstawowe zasady swojej pracy – miał być stosowany system metryczny, miary energii elektrycznej muszą mieć takie same jednostki jak miary energii mechanicznej, a dwa zestawy jednostek elektromagnetycznych musiałyby zostać wyprowadzone – układ elektromagnetyczny i układ elektrostatyczny. W drugim raporcie (1863) wprowadzili koncepcję spójnego systemu jednostek, w którym jednostki długości, masy i czasu zostały zidentyfikowane jako „jednostki podstawowe” (obecnie znane jako jednostki podstawowe ). Wszystkie inne jednostki miary można wyprowadzić (stąd jednostki pochodne ) z tych jednostek podstawowych. Metr, gram i sekunda zostały wybrane jako jednostki podstawowe.

W 1861 roku, przed spotkaniem BAAS, Charles Bright i Latimer Clark zaproponowali nazwy om , wolt i farad na cześć odpowiednio Georga Ohma , Alessandro Volty i Michaela Faradaya dla jednostek praktycznych opartych na systemie absolutnym CGS. Zostało to poparte przez Thomsona (Lord Kelvin). Koncepcja nazywania jednostek miary imionami wybitnych naukowców została następnie wykorzystana dla innych jednostek.

W 1873 inny komitet BAAS (w skład którego wchodzili również Maxwell i Thomson) mający za zadanie „Wybór i Nomenklatura Jednostek Dynamicznych i Elektrycznych” zalecił stosowanie systemu jednostek cgs . Komitet zalecił również nazwy „ dyne ” i „ erg ” dla jednostek siły i energii CGS. System cgs stał się podstawą pracy naukowej na kolejne siedemdziesiąt lat.

W raportach rozpoznano dwa systemy jednostek elektrycznych oparte na centymetrach-gram-sekundach: elektromagnetyczny (lub absolutny) system jednostek (EMU) i elektrostatyczny system jednostek (ESU).

Jednostki elektryczne

Symbole używane w tej sekcji

Symbolika	Oznaczający
${\ Displaystyle F_ {\ tekst {m}}, F_ {\ tekst {e}}}$	siły elektromagnetyczne i elektrostatyczne
${\ Displaystyle I_ {\ tekst {1}}, I_ {\ tekst {2}}}$	prądy elektryczne w przewodnikach
${\displaystyle q_{\tekst{1}},q_{\tekst{2}}}$	ładunki elektryczne
${\ Displaystyle L}$	długość przewodu
${\ Displaystyle r}$	odległość między ładunkami/przewodnikami
${\displaystyle \epsilon_{0}}$	stała elektryczna
${\ Displaystyle \ mu _ {0}}$	stała magnetyczna
${\displaystyle k_{\tekst{m}},k_{\tekst{e}}}$	stałe proporcjonalności
${\displaystyle c}$	prędkość światła
${\displaystyle 4\pi}$	steradyny otaczające punkt
${\displaystyle P}$	energia elektryczna
${\ Displaystyle V}$	potencjał elektryczny
${\ Displaystyle I}$	prąd elektryczny
${\ Displaystyle E}$	energia
${\displaystyle Q}$	ładunek elektryczny
${\displaystyle {\mathsf {M,L,T}}}$	wymiary: masa, długość, czas

W latach dwudziestych XIX wieku Georg Ohm sformułował prawo Ohma , które można rozszerzyć, aby powiązać moc z prądem, potencjałem elektrycznym (napięciem) i rezystancją. W ciągu następnych dziesięcioleci realizacja spójnego systemu jednostek, który zawierał pomiary zjawisk elektromagnetycznych i prawo Ohma, była najeżona problemami – opracowano kilka różnych systemów jednostek.

W trzech systemach CGS stałe iw konsekwencji i były bezwymiarowe, a więc nie wymagały żadnych jednostek do ich zdefiniowania. ${\displaystyle k_{\tekst{e}}}$${\displaystyle k_{\tekst{m}}}$${\displaystyle \epsilon_{0}}$${\ Displaystyle \ mu _ {0}}$

Elektryczne jednostki miary nie pasowały łatwo do spójnego systemu jednostek mechanicznych zdefiniowanego przez BAAS. Za pomocą analizy wymiarowej wymiary napięcia w układzie ESU były identyczne z wymiarami prądu w układzie EMU, natomiast rezystancja miała wymiary prędkości w układzie EMU, ale odwrotność prędkości w układzie ESU. ${\ Displaystyle {\ mathsf {M}} ^ {\ Frac {1} {2}} {\ mathsf {L}} ^ {\ Frac {1} {2}} {\ mathsf {T}} ^ {-1 }}$

Elektromagnetyczny (absolutny) układ jednostek (EMU)

Układ elektromagnetyczny jednostek (UGW) został opracowany z Andre-Marie amper „s odkrycia w 1820 zależności między prądem w dwóch przewodów i siły między nimi obecnie znany jako prawem Ampera :

${\ Displaystyle {\ Frac {F_ {\ tekst {m}}} {L}} = 2k_ {\ tekst {m}} {\ Frac {I_ {1}I_ {2}} {R}}}$gdzie (jednostki SI)${\ Displaystyle k_ {\ tekst {m}} = {\ Frac {\ mu _ {0}} {4 \ pi}} \}$

W 1833 Gauss wskazał na możliwość zrównania tej siły z jej mechanicznym odpowiednikiem. Propozycja ta uzyskała dalsze poparcie Wilhelma Webera w 1851 roku. W systemie tym prąd określa się przez ustawienie stałej siły magnetycznej na jedność, a potencjał elektryczny określa się w taki sposób, aby jednostką mocy obliczoną przez zależność był erg/ druga. Elektromagnetyczne jednostki miary były znane jako abampere, abvolt i tak dalej. Jednostki te zostały później przeskalowane do użytku w systemie międzynarodowym. ${\displaystyle k_{\mathrm {m}}}$${\ Displaystyle P = VI}$

Elektrostatyczny system jednostek (ESU)

System elektrostatyczne jednostek (ESU) została oparta na kwantyfikacji Coulomba w 1783 roku siły działającej między dwoma naładowanymi ciałami. Ten związek, obecnie znany jako prawo Coulomba, można napisać

${\ Displaystyle F_ {\ operatorname {e} } = k_ {\ tekst {e}} {\ Frac {q_ {1} q_ {2}} {r ^ {2}}}}$gdzie (jednostki SI)${\ Displaystyle k_ {\ tekst {e}} = {\ Frac {1} {4 \ pi \ epsilon _ {0}}}}$

W tym układzie jednostka ładunku jest definiowana przez ustawienie stałej siły Coulomba ( ) na jedność, a jednostka potencjału elektrycznego została określona tak, aby jednostka energii obliczona przez zależność wynosiła jeden erg. Elektrostatycznymi jednostkami miary były statampere, statvolt i tak dalej. ${\displaystyle k_{\tekst{e}}}$${\ Displaystyle E = QV}$

Gaussowski system jednostek

Gaussa układ jednostek oparto na Heinrich Hz realizacji jest natomiast sprawdzenie równania Maxwella w 1888 roku, że elektromagnetyczne i elektrostatyczne urządzenia były związane z:

${\ Displaystyle c ^ {2} = {\ Frac {1} {\ epsilon _ {0} \ mu _ {0}}}}$

Wykorzystując tę ​​zależność, zaproponował połączenie systemów EMU i ESU w jeden system wykorzystujący jednostki EMU dla wielkości magnetycznych (dalej nazwanych gauss i maxwell ) oraz jednostki ESU w innych miejscach. Ten połączony zestaw jednostek nazwał „ jednostkami gaussowskimi ”. Ten zestaw jednostek został uznany za szczególnie przydatny w fizyce teoretycznej.

Cztero-jedenastogram-sekunda (QES) lub międzynarodowy układ jednostek

Jednostki miary CGS używane w pracy naukowej nie były praktyczne dla inżynierii, co doprowadziło do opracowania bardziej odpowiedniego systemu jednostek elektrycznych, zwłaszcza dla telegrafii. Jednostkę długości było 10 ⁷ m (ok. Długość kwadrancie Ziemi), jednostka masy był bez nazwy jednostki równej 10 ^-11 g i jednostkę czasu była drugim. Jednostki masy i długości zostały przeskalowane niestosownie, aby uzyskać bardziej spójne i użyteczne jednostki elektryczne pod względem miar mechanicznych. Nieformalnie nazwany układem „praktycznym”, zgodnie z konwencją właściwie nazwano go układem jednostek kwad- jedenastogram-sekunda (QES).

Definicje jednostek elektrycznych zawierały stałą magnetyczną, podobnie jak system EMU, a nazwy jednostek zostały przeniesione z tego systemu, ale skalowane zgodnie ze zdefiniowanymi jednostkami mechanicznymi. System został sformalizowany jako system międzynarodowy pod koniec XIX wieku, a jego jednostki nazwano później „międzynarodowym amperem”, „międzynarodowym woltem” itp.

Układ jednostek Heaviside-Lorentza

Czynnik występujący w równaniach Maxwella w systemie Gaussa (i innych systemach CGS) jest związany z tym, że istnieją steradiany otaczające punkt, taki jak punktowy ładunek elektryczny. Ten czynnik można wyeliminować z kontekstów, które nie obejmują współrzędnych sferycznych, poprzez włączenie czynnika do definicji zaangażowanych wielkości. System został zaproponowany przez Olivera Heaviside'a w 1883 roku i jest również znany jako „zracjonalizowany system gaussowski jednostek”. SI później przyjęła zracjonalizowane jednostki zgodnie ze schematem racjonalizacji Gaussa. ${\displaystyle 4\pi}$${\displaystyle 4\pi}$

Termodynamika

Maxwell i Boltzmann stworzyli teorie opisujące wzajemną relację temperatury, ciśnienia i objętości gazu w skali mikroskopowej, ale poza tym w 1900 roku nie było zrozumienia mikroskopowej natury temperatury.

Pod koniec XIX wieku sformułowano podstawowe makroskopowe prawa termodynamiki i chociaż istniały techniki pomiaru temperatury przy użyciu technik empirycznych, naukowe zrozumienie natury temperatury było minimalne.

Konwencja licznika

Pieczęć Międzynarodowego Biura Miar i Wag (BIPM)

Wraz ze wzrostem międzynarodowej adopcji metryki , wady metryki archiwalnej jako standardu stawały się coraz bardziej widoczne. Kraje, które przyjęły metr jako środek prawny, zakupiły standardowe sztabki metrowe, które miały mieć taką samą długość jak mètre des Archives , ale nie było systematycznego sposobu na zapewnienie, że kraje faktycznie pracują zgodnie z tym samym standardem. Definicja południkowa, która miała zapewnić międzynarodową odtwarzalność, szybko okazała się tak niepraktyczna, że ​​została prawie porzucona na rzecz standardów artefaktów, ale mètre des Archives (i większość jego kopii) były „standardami końcowymi”: takie standardy (pręty, które mają dokładnie jeden metr długości) są podatne na zużycie podczas użytkowania i można oczekiwać, że różne standardowe kierownice będą zużywać się w różnym tempie.

W 1867 r. zaproponowano utworzenie nowego międzynarodowego standardowego metra, a długość przyjęto jako metr des Archives „w stanie, w jakim ma się znaleźć”. Międzynarodowa Konferencja Geodezji w 1867 r. wezwała do stworzenia nowego międzynarodowego prototypu miernika i systemu porównywania z nim norm krajowych. Prototyp międzynarodowy miałby być również „standardem liniowym”, to znaczy miernikiem zdefiniowanym jako odległość między dwiema liniami zaznaczonymi na pręcie, dzięki czemu unika się problemów ze zużyciem wzorców końcowych. Rząd francuski udzielił praktycznego poparcia dla utworzenia Międzynarodowej Komisji Metrycznej, która zebrała się w Paryżu w 1870 r. i ponownie w 1872 r. z udziałem około trzydziestu krajów.

20 maja 1875 r. 17 państw podpisało międzynarodowy traktat znany jako Convention du Mètre (Konwencja metra). Traktat ten powołał następujące organizacje do prowadzenia działalności międzynarodowej związanej z jednolitym systemem miar:

• Conférence générale des poids et mesures (CGPM lub Generalna Konferencja Miar), międzyrządowa konferencja oficjalnych delegatów państw członkowskich i najwyższa władza dla wszystkich działań;
• Comité international des poids et mesures (CIPM lub Międzynarodowy Komitet Miar), składający się z wybranych naukowców i metrologów , który przygotowuje i wykonuje decyzje CGPM i jest odpowiedzialny za nadzór nad Międzynarodowym Biurem Miar i Wag;
• Bureau international des poids et mesures (BIPM lub Międzynarodowe Biuro Miar i Wag), stałe laboratorium i światowe centrum metrologii naukowej, którego działalność obejmuje ustalanie podstawowych wzorców i skal głównych wielkości fizycznych, utrzymywanie międzynarodowych normy prototypów i nadzór nad regularnymi porównaniami między prototypem międzynarodowym a różnymi normami krajowymi.

Międzynarodowego prototypu miernika i międzynarodowego prototypu kg były obie wykonane z 90%  platyny , 10%  irydu stopu, który jest wyjątkowo twardy i która ma dobre właściwości przewodności elektrycznej i termicznej. Prototyp miał specjalny przekrój w kształcie litery X ( Tresca ), aby zminimalizować skutki odkształceń skrętnych podczas porównywania długości. a kilogramy prototypu miały kształt cylindryczny. Londyńska firma Johnson Matthey dostarczyła 30 prototypowych metrów i 40 prototypowych kilogramów. Na pierwszym spotkaniu CGPM w 1889 r. bar nr 6 i cylinder nr X zostały zaakceptowane jako międzynarodowe prototypy. Pozostałe były albo przechowywane jako kopie robocze BIPM, albo rozprowadzane do państw członkowskich jako krajowe prototypy.

Zgodnie z Konwencją Metrów, w 1889 r. BIPM miał pod opieką dwa artefakty – jeden do określenia długości, drugi do określenia masy. Inne jednostki miary, które nie opierały się na konkretnych artefaktach, były kontrolowane przez inne ciała.

Chociaż definicja kilograma pozostała niezmieniona przez cały XX wiek, 3. CGPM w 1901 r. wyjaśnił, że kilogram jest jednostką masy , a nie wagi . Pierwotna partia 40 prototypów (przyjęta w 1889 r.) była od czasu do czasu uzupełniana o kolejne prototypy do użytku przez nowych sygnatariuszy Konwencji Metrycznej .

W 1921 Traktat o Liczniku został rozszerzony na urządzenia elektryczne, przy czym CGPM połączył swoją pracę z pracami IEC.

Systemy pomiarowe przed II wojną światową

Amerykański narodowy prototyp miernika, pokazujący numer pręta (#27), przekrój Tresca i jedną z linii

Historia pomiarów w XX wieku naznaczona jest pięcioma okresami: definicją z 1901 r. spójnego systemu MKS; pośrednie 50 lat współistnienia MKS, CGS i wspólnych systemów środków; 1948 Praktyczny układ jednostek prototyp SI; wprowadzenie SI w 1960 r.; i ewolucja SI w drugiej połowie wieku.

Spójny system

Potrzeba niezależnego wymiaru elektromagnetycznego w celu rozwiązania trudności związanych z definiowaniem takich jednostek w kategoriach długości, masy i czasu została zidentyfikowana przez Giorgi w 1901 roku. Doprowadziło to do tego, że Giorgi przedstawił referat w październiku 1901 na kongresie Associazione Elettrotecnica Italiana ( AEI), w którym wykazał, że spójny elektromechaniczny system jednostek można uzyskać poprzez dodanie czwartej jednostki podstawowej o charakterze elektrycznym (np. amper, wolt lub om) do trzech jednostek podstawowych zaproponowanych w raporcie BAAS z 1861 roku. Otrzymano w ten sposób wymiary fizyczne stałych k _e i k _m , a tym samym również ilości elektromechanicznych ε ₀ (przenikalność wolnej przestrzeni) i μ ₀ (przepuszczalność wolnej powierzchni). W swojej pracy dostrzegł również znaczenie energii w tworzeniu spójnego, racjonalnego układu jednostek, w którym jednostką energii jest dżul, a jednostki elektryczne w międzynarodowym układzie jednostek pozostają niezmienione. Jednak minęło ponad trzydzieści lat, zanim praca Giorgiego została zaakceptowana w praktyce przez MKW.

Systemy pomiarowe w erze przemysłowej

Cztery współczesne przyrządy pomiarowe domowej jakości, które mają metryczną kalibrację – taśma miernicza kalibrowana w centymetrach , termometr kalibrowany w stopniach Celsjusza , waga kilograma (masa) i multimetr elektryczny mierzący wolty , ampery i omy

Wraz z rozwojem przemysłu na całym świecie, system jednostek cgs przyjęty przez Brytyjskie Stowarzyszenie Postępu Naukowego w 1873 r. wraz z mnóstwem jednostek elektrycznych nadal był dominującym systemem pomiarowym i pozostał taki przez co najmniej następne 60 lat . Zalet było kilka: miał obszerny zestaw jednostek pochodnych, które, choć nie całkiem spójne, były przynajmniej homologiczne; w systemie MKS w ogóle brakowało określonej jednostki elektromagnetyzmu; jednostki MKS były niewygodnie duże dla nauk ścisłych; zwyczajowe systemy miar panowały w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i imperium brytyjskim, a nawet do pewnego stopnia we Francji, kolebce systemu metrycznego, który uniemożliwiał przyjęcie jakiegokolwiek konkurencyjnego systemu. Wreszcie wojna, nacjonalizm i inne siły polityczne hamowały rozwój nauki, sprzyjając spójnemu systemowi jednostek.

Na 8. CGPM w 1933 r. podniesiono potrzebę zastąpienia „międzynarodowych” jednostek elektrycznych jednostkami „absolutnymi”. Propozycja IEC dotycząca przyjęcia „systemu” Giorgiego, nieformalnie oznaczonego jako MKSX, została przyjęta, ale nie podjęto decyzji, która jednostka elektryczna powinna być czwartą jednostką podstawową. W 1935 r. JE Sears zaproponował, że powinien to być amper, ale II wojna światowa uniemożliwiła sformalizowanie tego do 1946 r. Pierwsze (i jedyne) kolejne porównanie wzorców krajowych z międzynarodowym prototypem miernika zostało przeprowadzone między 1921 r. i 1936 i wskazał, że definicja miernika została zachowana z dokładnością do 0,2 µm. Podczas tego kolejnego porównania sposób, w jaki powinien być mierzony prototypowy metr, został wyraźniej zdefiniowany — definicja z 1889 r. definiowała metr jako długość prototypu w temperaturze topnienia lodu, ale w 1927 r. 7. CGPM rozszerzył definicja ta określa, że ​​prototypowy licznik powinien być „wsparty na dwóch butlach o średnicy co najmniej jednego centymetra, umieszczonych symetrycznie w tej samej płaszczyźnie poziomej w odległości 571 mm od siebie”. Wybór 571 mm reprezentuje punkty Airy prototypu – punkty, w których zginanie lub opadanie kierownicy jest zminimalizowane.

Roboczy projekt SI: Praktyczny układ jednostek

9. CGPM spotkał się w 1948 roku, piętnaście lat po 8. CGPM. W odpowiedzi na formalne prośby zgłoszone przez Międzynarodową Unię Fizyki Czystej i Stosowanej oraz przez rząd francuski o ustanowienie praktycznego systemu jednostek miar, CGPM zwrócił się do CIPM o przygotowanie zaleceń dotyczących jednego praktycznego systemu jednostek miar, odpowiedniego dla przyjęcie przez wszystkie kraje przestrzegające Konwencji Licznikowej. Projekt propozycji CIPM był obszerną zmianą i uproszczeniem definicji jednostek metrycznych, symboli i terminologii w oparciu o system jednostek MKS.

Zgodnie z obserwacjami astronomicznymi, drugi został ustalony jako ułamek roku 1900. Za amper przyjęto elektromagnetyczną jednostkę bazową wymaganą przez Giorgiego. Po negocjacjach z CIS i IUPAP, jako jednostki podstawowe zaproponowano również dwie kolejne jednostki, stopień kelwina i kandelę. Po raz pierwszy CGPM wydał zalecenia dotyczące jednostek pochodnych. Jednocześnie CGPM przyjął konwencje zapisu i drukowania symboli i liczb jednostek oraz skatalogował symbole najważniejszych jednostek miar MKS i CGS .

Czas

Do czasu pojawienia się zegara atomowego najbardziej niezawodnym chronometrażystą dostępnym dla ludzkości był obrót Ziemi. Naturalnym więc było, że astronomowie działający pod auspicjami Międzynarodowej Unii Astronomicznej (IAU) objęli przewodnictwo w utrzymywaniu standardów dotyczących czasu. W XX wieku stało się jasne, że rotacja Ziemi zwalnia, przez co w każdym stuleciu dni stają się dłuższe o 1,4 milisekundy – zostało to zweryfikowane przez porównanie obliczonych czasów zaćmień Słońca z tymi obserwowanymi w starożytności, sięgającymi chińskich zapisów z 763 r. PNE. W 1956 r. X CGPM polecił CIPM przygotować definicję drugiego; w 1958 opublikowano definicję stwierdzającą, że sekunda (zwana sekundą efemeryczną ) zostanie obliczona przez ekstrapolację przy użyciu prędkości obrotowej Ziemi w 1900 roku.

Jednostka elektryczna

Zgodnie z propozycjami Giorgiego z 1901 r. CIPM zalecił również, aby amper był jednostką podstawową, z której pochodziłyby jednostki elektromechaniczne. Definicje omów i woltów, które były wcześniej używane, zostały odrzucone i jednostki te stały się jednostkami pochodnymi opartymi na amperach. W 1946 CIPM formalnie przyjął definicję ampera opartą na oryginalnej definicji EMU i przedefiniował om w kategoriach innych jednostek podstawowych. Definicje absolutnego systemu elektrycznego opartego na amperach zostały sformalizowane w 1948 roku. Projekt proponowanych jednostek o tych nazwach jest bardzo zbliżony, ale nie identyczny, do jednostek międzynarodowych.

Temperatura

W skali Celsjusza z XVIII wieku temperaturę wyrażano w stopniach Celsjusza z definicją, że lód topił się w temperaturze 0 °C, a przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym woda wrzała w 100 °C. Seria tabel przeglądowych określała temperaturę w kategoriach powiązanych ze sobą pomiarów empirycznych wykonanych przy użyciu różnych urządzeń. W 1948 r. należało doprecyzować definicje dotyczące temperatury. (Stopień, jako miara kątowa, został przyjęty do powszechnego użytku w wielu krajach, więc w 1948 roku Generalna Konferencja Miar (CGPM) zaleciła zmianę nazwy stopnia Celsjusza, używanego do pomiaru temperatury stopień Celsjusza .)

W 9. CGPM skala temperatury Celsjusza została przemianowana na skalę Celsjusza, a sama skala została ustalona poprzez zdefiniowanie potrójnego punktu wody jako 0,01 ° C, chociaż CGPM pozostawił formalną definicję zera absolutnego do 10. CGPM, gdy nazwa „ Kelwin ” przypisano do skali temperatury bezwzględnej, a punkt potrójny wody określono jako 273,16 °K.

Jasność

Przed rokiem 1937 Międzynarodowa Komisja ds. Oświetlenia (CIE od francuskiego tytułu Commission Internationale de l'Eclairage) wraz z CIPM opracowała normę natężenia światła, która zastąpiła różne normy krajowe. Ten standard, kandela (cd), który został zdefiniowany jako „jasność pełnego grzejnika w temperaturze krzepnięcia platyny wynosi 60 nowych świec na centymetr kwadratowy ”, został ratyfikowany przez CGPM w 1948 roku.

Jednostki pochodne

Nowo przyjęta definicja ampera umożliwiła praktyczną i użyteczną, spójną definicję zestawu jednostek pochodnych elektromagnetycznych, w tym farada, henry'ego, wata, tesli, webera, wolta, oma i kulomba. Dwie jednostki pochodne, luks i lumen, oparto na nowej kandeli, a jedna to stopień Celsjusza, równoważny stopniowi Kelvina. Projekt propozycji uzupełniło pięć innych różnych jednostek pochodnych: radian, steradian, herc, dżul i niuton.

Międzynarodowy układ jednostek (SI)

W 1952 r. CIPM zaproponował zastosowanie długości fali określonego źródła światła jako standardu określania długości, a w 1960 r. CGPM zaakceptował tę propozycję, wykorzystując promieniowanie odpowiadające przejściu między określonymi poziomami energii atomu kryptonu 86 jako nowy standard dla metr. Standardowy artefakt licznika został wycofany.

W 1960 roku propozycje Giorgiego zostały przyjęte jako podstawa Système International d'Unités (Międzynarodowy Układ Jednostek), SI. Ta początkowa definicja SI obejmowała sześć jednostek podstawowych, metr, kilogram, sekundę, amper, stopień Kelvina i kandelę oraz szesnaście koherentnych jednostek pochodnych.

Ewolucja współczesnego SI

Ewolucja SI po jej opublikowaniu w 1960 r. spowodowała dodanie siódmej jednostki podstawowej, mola i sześciu innych jednostek pochodnych, paskala dla ciśnienia, szarego , siwerta i bekerela dla promieniowania, siemensa dla przewodności elektrycznej i katal dla aktywności katalitycznej (enzymatycznej). Kilka jednostek zostało również przedefiniowanych pod względem stałych fizycznych.

Nowe jednostki podstawowe i pochodne

W kolejnych latach BIPM opracował i utrzymywał korelacje krzyżowe w odniesieniu do różnych urządzeń pomiarowych, takich jak termopary, widma światła i tym podobne, z równoważnymi temperaturami.

Kret był pierwotnie znany jako gram-atom lub gram-cząsteczka – ilość substancji mierzona w gramach podzielona przez jej masę atomową . Początkowo chemicy i fizycy mieli odmienne poglądy na temat definicji masy atomowej – obaj przypisywali tlenowi 16  jednostek masy atomowej (amu), ale fizycy definiowali tlen jako izotop ¹⁶ O, podczas gdy chemicy przypisywali 16 amu do ¹⁶ O. Izotopy ¹⁷ O i ¹⁸ O zmieszane w proporcji, w jakiej występują w naturze. Wreszcie porozumienie między Międzynarodową Unią Fizyki Czystej i Stosowanej (IUPAP) i Międzynarodową Unią Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) położyło kres tej dwoistości w latach 1959/60, obie strony uzgodniły zdefiniowanie masy atomowej ¹² C jako będąc dokładnie 12 amu. Umowa ta została potwierdzona przez ISO, aw 1969 CIPM zalecił jej włączenie do SI jako jednostki podstawowej. Dokonano tego w 1971 roku na XIV CGPM.

Początek migracji do stałych definicji

Drugim ważnym trendem w ponowoczesnym SI była migracja definicji jednostkowych w kategoriach stałych fizycznych przyrody.

W 1967 r. na 13. CGPM stopień Kelwina (°K) został przemianowany na „kelwin” (K).

Astronomowie z US Naval Observatory (USNO) i National Physical Laboratory ustalili zależność między częstotliwością promieniowania odpowiadającą przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133 a szacowaną prędkością obrotu Ziemi w 1900. Ich atomowa definicja drugiego została przyjęta w 1968 roku przez 13. CGPM.

W 1975 roku, kiedy drugi został zdefiniowany w kategoriach zjawiska fizycznego, a nie obrotu Ziemi, CGPM upoważnił CIPM do zbadania wykorzystania prędkości światła jako podstawy definicji metra. Ta propozycja została przyjęta w 1983 roku.

Definicja kandeli okazała się trudna do wdrożenia, dlatego w 1979 r. zmieniono definicję i odniesienie do źródła promieniowania zastąpiono określeniem kandeli w kategoriach mocy określonej częstotliwości monochromatycznego żółto-zielonego światła widzialnego, która jest zbliżona do częstotliwość, przy której oko ludzkie, przystosowane do jasnych warunków, ma największą czułość.

Kilogramowa niestabilność artefaktu

Masowy dryf w czasie krajowych prototypów K21–K40 oraz dwóch siostrzanych kopii IPK : K32 i K8(41). Powyższe są pomiarami względnymi ; nie są dostępne żadne historyczne dane z pomiarów masy, aby określić, który z prototypów był najbardziej stabilny w stosunku do niezmiennika natury. Istnieje wyraźna możliwość, że wszystkie prototypy zyskały masę w ciągu 100 lat, a K21, K35, K40 i IPK po prostu zyskały mniej niż inne.

Po przedefiniowaniu miernika w 1960 roku kilogram pozostał jedyną podstawą SI określoną przez fizyczny artefakt. W ciągu następnych lat definicje jednostek podstawowych, a zwłaszcza mise en pratique w celu realizacji tych definicji, zostały udoskonalone.

Trzecia okresowa rekalibracja w latach 1988–1989 wykazała, że ​​średnia różnica między IPK a skorygowaną linią bazową dla prototypów krajowych wynosiła 50 μg – w 1889 roku linia bazowa prototypów krajowych została skorygowana tak, że różnica wynosiła zero. Ponieważ IPK jest kilogramem definitywnym, nie sposób stwierdzić, czy IPK traciło na masie, czy też rodziły się prototypy.

W ciągu stulecia różne krajowe prototypy kilograma zostały ponownie skalibrowane względem międzynarodowego prototypu kilograma (IPK), a zatem względem siebie. Początkowe przesunięcia wartości początkowych w 1889 r. krajowych prototypów w stosunku do IPK zostały zerowane, a wszelkie późniejsze zmiany masy odnoszą się do IPK.

Proponowane zamienniki dla IPK

Precyzyjnie wykonana kula krzemowa przeznaczona jako zamiennik dla IPK

Zaproponowano szereg zamienników dla IPK.

Od początku lat 90. Międzynarodowy Projekt Avogadro pracował nad stworzeniem kuli o masie 1 kilograma, 94 mm, wykonanej z jednolitego kryształu krzemu-28, z zamiarem zastąpienia IPK obiektem fizycznym, który byłby dokładnie odtworzony z dokładnego specyfikacja. Ze względu na swoją precyzyjną konstrukcję sfera Projektu Avogadro jest prawdopodobnie najdokładniejszym obiektem kulistym, jaki kiedykolwiek został stworzony przez ludzi.

Inne grupy pracowały nad takimi koncepcjami, jak tworzenie masy odniesienia poprzez precyzyjne osadzanie elektrody atomów złota lub bizmutu oraz definiowanie kilograma w amperach poprzez odniesienie go do sił generowanych przez elektromagnetyczne odpychanie prądów elektrycznych.

Ostatecznie wybór został zawężony do użycia balansu Watta i sfery Międzynarodowego Projektu Avogadro.

Ostatecznie podjęto decyzję, aby nie tworzyć żadnego fizycznego zamiennika IPK, ale zamiast tego zdefiniować wszystkie jednostki SI pod kątem przypisania precyzyjnych wartości wielu stałym fizycznym, które wcześniej zostały zmierzone pod względem wcześniejszych definicji jednostek.

Redefinicja w kategoriach stałych fundamentalnych

Układ SI po redefinicji 2019: Zależność definicji jednostek podstawowych od stałych fizycznych o stałych wartościach liczbowych oraz od innych jednostek podstawowych.

Na 23. spotkaniu (2007) CGPM zlecił CIPM zbadanie wykorzystania stałych naturalnych jako podstawy dla wszystkich jednostek miary, a nie artefaktów, które były wówczas w użyciu.

W następnym roku został on zatwierdzony przez Międzynarodową Unię Fizyki Czystej i Stosowanej (IUPAP). Na spotkaniu CCU, które odbyło się w Reading w Wielkiej Brytanii , we wrześniu 2010 r. uzgodniono w zasadzie rezolucję i projekt zmian do broszury SI, które miały zostać zaprezentowane na kolejnym posiedzeniu CIPM w październiku 2010 r. Spotkanie CIPM w październiku 2010 r. wykazało, że „warunki określone przez Konferencję Generalną na jej 23. spotkaniu nie zostały jeszcze w pełni spełnione. Z tego powodu CIPM nie proponuje obecnie rewizji SI”. CIPM przedstawił jednak do rozpatrzenia na 24. CGPM (17-21 października 2011 r.) rezolucję, aby co do zasady zgodzić się na nowe definicje, ale nie wprowadzać ich w życie do czasu ustalenia szczegółów.

W redefinicji cztery z siedmiu podstawowych jednostek SI – kilogram , amper , kelwin i mole – zostały przedefiniowane poprzez ustalenie dokładnych wartości liczbowych stałej Plancka ( h ), elementarnego ładunku elektrycznego ( e ), stałej Boltzmanna ( k _B ), a stałą Avogadro ( N ), odpowiednio. Sekund , licznik i kandela zostały już zdefiniowane przez stałych fizycznych i były przedmiotem korekty do ich definicji. Nowe definicje miały na celu poprawę SI bez zmiany wartości jakichkolwiek jednostek, zapewniając ciągłość z istniejącymi pomiarami.

Rezolucja ta została przyjęta przez konferencję, a ponadto CGPM przesunęła termin 25. spotkania z 2015 r. na 2014 r. Na 25. posiedzeniu w dniach 18-20 listopada 2014 r. stwierdzono, że „pomimo [postępu w zakresie niezbędnych wymagań] dane nie wydają się jeszcze wystarczająco wiarygodne, aby CGPM mogła przyjąć zmienioną SI na swoim 25. posiedzeniu”, tym samym odkładając korektę na następne posiedzenie w 2018 r.

Pomiary na tyle dokładne, aby spełnić warunki były dostępne w 2017 r., a redefinicję przyjęto na 26. CGPM (13-16 listopada 2018 r.), a zmiany ostatecznie weszły w życie w 2019 r., tworząc system definicji, który ma być stabilny dla długoterminowy.

Zobacz też

• Historia licznika

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki