История метрической системы

Идеи, сходные с теми, которые лежат в основании метрической системы, обсуждались в XVI и XVII столетиях. Симон Стевин опубликовал предложения по десятичной записи, а Джон Уилкинс опубликовал проект десятичной системы мер, основанной на естественных единицах. Первую практическую реализацию метрической системы осуществили в 1799 году, во время Великой Французской революции, когда существовавшая система мер, которая приобрела дурную репутацию, была временно заменена десятичной системой, основанной на килограмме и метре. Работа по реформе старой системы мер и весов поддерживалась всеми, кто был у власти, в том числе Людовиком XVI. Метрическая система, по словам философа и математика Кондорсе, была предназначена «для всех людей и времен». В эпоху гуманизма основные единицы были взяты из мира природы: единица длины — метр — основывалась на размерах Земли, а единица массы — килограмм — на массе такого количества воды, которое занимало объем в один литр, то есть одну тысячную кубического метра. Эталонные копии обеих единиц были изготовлены и помещены на хранение во Французскую академию наук. В 1812 Франция вернулась к системе, единицы которой были похожи на те, что употреблялись до реформы, из-за непопулярности метрической системы.

В 1837 метрическая система была вновь принята во Франции, кроме того, в первой половине XIX века её приняло научное сообщество. В середине столетия Джеймс Кларк Максвелл продвигал идею связанной системы, где небольшое количество единиц измерения определяются как основные, а все остальные, называемые производными, определялись при помощи основных. Максвелл предложил три основные единицы: длину, массу и время. Эта идея хорошо работала в механике, но попытки описать с ее помощью электромагнитные силы сталкивались с трудностями. В конце XIX века для измерения электромагнитных явлений пользовались четырьмя основными вариантами метрической системы: тремя, основанными на сантиметре, грамме и секунде (система СГС), и одной, основанной на метре, килограмме и секунде (система МКС). Выход из тупика нашёл Джованни Джорджи, который в 1901 году доказал, что система, которая включает электромагнитные единицы, должна использовать одну из них как четвертую основную.

До 1875 французское правительство владело прототипами метра и килограмма, но в этом году была подписана Метрическая конвенция и контроль над стандартами перешёл к трём межправительственным организациям, старшей из которых стала Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) (фр. Conférence générale des poids et mesures). В первой половине XX века ГКМВ взаимодействовала с некоторыми другими организациями, и к 1960 она была ответственна за определение временных, электрических, тепловых, молекулярных и световых мер, а другие организации продолжали играть свою роль в том, как эти единицы измерения использовались.

В 1960 ГКМВ ввела в действие Международную систему единиц (СИ) (фр. Le Système International d’Unités, SI), в которой были шесть основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина (впоследствии переименован в «кельвин») и кандела, а также 22 другие единицы, производные от них. В 1971 году была добавлена седьмая основная единица — моль. В течение этого времени метр был переопределен в терминах длины волны от определённого источника света (затем в терминах расстояния, проходимого светом в вакууме за определенное время), а секунда — в терминах частоты излучения от другого источника света. К концу XX века проводилась работа по переопределению ампера, килограмма, моля и кельвина в терминах основных физических постоянных. Ожидается, что эта работа закончится в 2014. ^{[обновить данные]}

Развитие исходных принципов

Первым практическим применением метрической системы была система, введённая французскими революционерами к концу XVIII века. Её ключевыми свойствами были:

• В ней использовались десятичные отношения между единицами.
• Размеры её единиц были основаны на природных явлениях.
• Величины с разными размерностями соотносились между собой рациональным образом.
• Префиксы использовались для образования кратных и дольных единиц.

Эти свойства исследовались и излагались различными учеными в течение двух столетий, предшествовавших введению французской метрической системы.

Симону Стевину приписывают введение десятичной системы во всеобщее употребление в Европе. Авторы двадцатого столетия, например, Bigourdan (Франция, 1901) и McGreevy (Великобритания, 1995) называли французского священника Габриеля Мутона (1670) изобретателем метрической системы. В 2007 году стала известна предложенная английским священником Джоном Уилкинсом когерентная десятичная система мер. После этого историки сконцентрировались на предложениях Уилкинса: Tavernor (2007) в равной мере рассматривает Уилкинса и Мутона, а Quinn (2012) не упоминает о Мутоне, а утверждает то, что «он [Уилкинс] предложил по существу то, что стало… французской десятичной метрической системой».

Работа Симона Стевина

В раннем Средневековье для записи чисел в Европе использовали римские цифры, но арабы записывали числа используя индийские цифры — позиционную систему, которая пользуется десятью символами. Примерно в 1202 Фибоначчи опубликовал свое сочинение Liber Abaci (Книга абака), которое ввело понятие о позиционной записи в Европе. Эти символы развились в цифры «0», «1», «2» и т. д.

В то время существовал спор, который касался различия между рациональными и иррациональными числами, и не было последовательности в том, как представляли десятичные дроби. В 1586 Симон Стевин опубликовал небольшую брошюру под названием «De Thiende» («десятая»), которые историки рассматривают как основу современной записи десятичных дробей. Стевин чувствовал, что это новшество весьма важно, и потому утверждал, что всеобщее введение десятичной монетной монетной системы, мер и весов — всего лишь дело времени.

Работа Джона Уилкинса

В середине семнадцатого века Джон Уилкинс — первый секретарь Лондонского королевского общества — получил от него просьбу разработать «универсальный стандарт мер». В 1668 он попытался кодифицировать все знания в своей 621-страничной книге «Опыт о реальном письме и философском языке» («An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language»). Четыре страницы части II в главе VII были посвящены физическим измерениям. Здесь Уилкинс также предложил десятичную систему измерений, основанную на том, что он назвал «универсальной мерой», которая была взята из природы для использования «образованными людьми» различных стран.

Уилкинс рассматривал земной меридиан, атмосферное давление и (следуя за предложением Кристофера Рена и демонстрациями Христиана Гюйгенса) маятник как источник для своей универсальной меры. Он исключил атмосферное давление из числа кандидатов: оно было описано Торричелли в 1643 как подозрительное в отношении изменчивости (связь атмосферного давления с погодой ещё не была понятна в то время), а затем отверг и меридиан как слишком сложный для измерения; в итоге он остановился на маятнике. По его предложению, длина секундного маятника (примерно 993 мм), которую он называл «стандартом», должна была бы стать основой меры длины. Кроме того, по предложению, «мерой вместимости» (единицей объёма) должны были бы определить как кубический стандарт и чтобы «мерой веса» (основной единицей веса [массы]) стал бы вес кубического стандарта дождевой воды. Все кратные и дольные единицы должны были отличаться от основных на ту или иную степень десяти. Короче, Уилкинс «предложил по существу то, что стало… французской десятичной метрической системой».

Работа Габриеля Мутона

В 1670 Габриель Мутон — французский аббат и астроном — опубликовал книгу «Observationes diametrorum solis et lunae apparentium», в которой предложил десятичную систему измерений длины, основанную на размерах Земли, для использования в международном общении ученых. Миллиар (milliare) был бы определен как минута дуги мередиана и делился бы на 10 центурий (centuria), центурия — на 10 декурий (decuria) и так далее, следующими единицами были бы вирга (virga), виргула (virgula), децима (decima), центезима (centesima) и миллезима (millesima). Мутон использовал оценку Риччоли, что один градус дуги заключает в себе 321 185 болонских футов, а его эксперимент показал, что маятник длиной в одну виргулу совершал бы 3959,2 колебаний в течение получаса. Современная теория маятника показывает, что такой маятник был бы 205,6 мм длиной, а используя сегодняшние данные о размере Земли, мы можем определить длину виргулы примерно в 185,2 миллиметра. Мутон верил, что обладая такой информацией ученые из других стран смогут создать копию виргулы для собственного употребления.

Разработки XVII века

Обмен метрологической информацией был одной из из проблем, с которой столкнулись ученые середины XVII века; многие обсуждали возможность научного общения с использованием так называемой «универсальной меры», которая не связана с определенной национальной системой мер. Идеи Мутона в то время привлекали к себе интерес: как Пикар в своей работе «Mesure de la Terre» (1671), так и Гюйгенс в рaботе «Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum» (1673) предложили, чтобы стандартная единица длины была бы связан с частотой колебаний маятника.

Интерес Французской академии наук (Académie Royale des Sciences) к экспериментам с маятником был в сущности предсказан Пикаром в его работе «Mesure de la Terre». Длину «секундного маятника» измерили в нескольких местах вне Франции: в 1671 на Ураниборге — острове в 26 км к северу от Копенгагена, а в 1672 Жан Рише сделал это в Кайенне во Французской Гвиане, в 5° к северу от экватора. Заметного различия между длиной секундного маятника в Ураниборге и Париже не было, но длина кайенского и парижского маятников отличалась на 2,81 мм. Совместные опыты с Королевским обществом не показали никакой заметной разницы между маятниками измеренными в Лондоне и Париже, но измерения на острове Горе в Сенегале (Западная Африка) лучше соответствовали тем, что были проведены в Кайенне. В то же время в Англии Локк в своей работе «Опыт о человеческом разумении» («An Essay Concerning Human Understanding») (1689), упомянул о «футе философа», который он определил как треть «секундного маятника» на 45° широты.

В 1686 Исаак Ньютон в свой книге «Математические начала натуральной философии» («Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica») дал теоретическое объяснение «вздутого экватора», которое объясняло найденную разницу в длине «секундных маятников», эта теория была подтверждена экспедицией Французской академии в Перу в 1735 году.

Международное сотрудничество в XVIII столетии

В конце восемнадцатого столетия были выдвинуты предложения об общей международной системе мер в области торговли и технологии, сходные с предложениями универсальной меры в семнадцатом веке; когда французские революционеры ввели такую систему они обратились ко многим предложениям семнадцатого столетия.

В начале девятого века, когда большая часть будущей Франции была частью Каролингской империи, меры были стандартизированы императором Карлом Великим. Он ввел стандартные единицы измерения длины и массы по всей империи. Когда империя распалась на отдельные государства, включая Францию, эти стандарты начали расходиться. По одной из оценок, в преддверии революции во Франции использовались четверть миллиона единиц измерения, во многих случаях величина, которая была связана с той или иной единицей, отличалась от города к городу и от лавки к лавке. Хотя у некоторых стандартов, вроде pied du roi (королевского фута), было некоторое преимущество, и они использовались учеными, многие торговцы выбирали для пользования свои собственные инструменты измерения, давая простор обману и мешая торговле и промышленности. Эти различия поддерживались местными правовыми преимуществами, но мешали торговле и налогообложению. В противоположность этому, в Англии «Великая хартия вольностей» установила, что «должна быть одна единица измерения по всему королевству».

К середине восемнадцатого столетия стало очевидным, что для стран, которые торгуют между собой и обмениваются научными идеями необходимы общие стандарты мер и весов. Испания, например, приравняла свои единицы измерения ко французским королевским, а Петр Великий связал русские единицы длины с английскими. В 1783 английский изобретатель Джеймс Уатт, который испытывал трудности при с немецкими учеными, призвал к созданию всемирной десятичной системы мер, предложив систему, которая, как и предложенная Уилкинсом в семнадцатом веке, использовала плотность воды, чтобы связать длину и массу, а в 1788 французский химик Антуан Лавуазье заказал набор из десяти медных цилиндров — [французский] фунт и его десятичные подразделения — для использования в своей экспериментальной работе.

Отрывок, характеризующий История метрической системы

– Боже мой! Что ж это такое? Я ей Богу не виновата…
– Ничего, заметаю, не видно будет, – говорила Дуняша.
– Красавица, краля то моя! – сказала из за двери вошедшая няня. – А Сонюшка то, ну красавицы!…
В четверть одиннадцатого наконец сели в кареты и поехали. Но еще нужно было заехать к Таврическому саду.
Перонская была уже готова. Несмотря на ее старость и некрасивость, у нее происходило точно то же, что у Ростовых, хотя не с такой торопливостью (для нее это было дело привычное), но также было надушено, вымыто, напудрено старое, некрасивое тело, также старательно промыто за ушами, и даже, и так же, как у Ростовых, старая горничная восторженно любовалась нарядом своей госпожи, когда она в желтом платье с шифром вышла в гостиную. Перонская похвалила туалеты Ростовых.
Ростовы похвалили ее вкус и туалет, и, бережа прически и платья, в одиннадцать часов разместились по каретам и поехали.


Наташа с утра этого дня не имела ни минуты свободы, и ни разу не успела подумать о том, что предстоит ей.
В сыром, холодном воздухе, в тесноте и неполной темноте колыхающейся кареты, она в первый раз живо представила себе то, что ожидает ее там, на бале, в освещенных залах – музыка, цветы, танцы, государь, вся блестящая молодежь Петербурга. То, что ее ожидало, было так прекрасно, что она не верила даже тому, что это будет: так это было несообразно с впечатлением холода, тесноты и темноты кареты. Она поняла всё то, что ее ожидает, только тогда, когда, пройдя по красному сукну подъезда, она вошла в сени, сняла шубу и пошла рядом с Соней впереди матери между цветами по освещенной лестнице. Только тогда она вспомнила, как ей надо было себя держать на бале и постаралась принять ту величественную манеру, которую она считала необходимой для девушки на бале. Но к счастью ее она почувствовала, что глаза ее разбегались: она ничего не видела ясно, пульс ее забил сто раз в минуту, и кровь стала стучать у ее сердца. Она не могла принять той манеры, которая бы сделала ее смешною, и шла, замирая от волнения и стараясь всеми силами только скрыть его. И эта то была та самая манера, которая более всего шла к ней. Впереди и сзади их, так же тихо переговариваясь и так же в бальных платьях, входили гости. Зеркала по лестнице отражали дам в белых, голубых, розовых платьях, с бриллиантами и жемчугами на открытых руках и шеях.
Наташа смотрела в зеркала и в отражении не могла отличить себя от других. Всё смешивалось в одну блестящую процессию. При входе в первую залу, равномерный гул голосов, шагов, приветствий – оглушил Наташу; свет и блеск еще более ослепил ее. Хозяин и хозяйка, уже полчаса стоявшие у входной двери и говорившие одни и те же слова входившим: «charme de vous voir», [в восхищении, что вижу вас,] так же встретили и Ростовых с Перонской.
Две девочки в белых платьях, с одинаковыми розами в черных волосах, одинаково присели, но невольно хозяйка остановила дольше свой взгляд на тоненькой Наташе. Она посмотрела на нее, и ей одной особенно улыбнулась в придачу к своей хозяйской улыбке. Глядя на нее, хозяйка вспомнила, может быть, и свое золотое, невозвратное девичье время, и свой первый бал. Хозяин тоже проводил глазами Наташу и спросил у графа, которая его дочь?
– Charmante! [Очаровательна!] – сказал он, поцеловав кончики своих пальцев.
В зале стояли гости, теснясь у входной двери, ожидая государя. Графиня поместилась в первых рядах этой толпы. Наташа слышала и чувствовала, что несколько голосов спросили про нее и смотрели на нее. Она поняла, что она понравилась тем, которые обратили на нее внимание, и это наблюдение несколько успокоило ее.
«Есть такие же, как и мы, есть и хуже нас» – подумала она.
Перонская называла графине самых значительных лиц, бывших на бале.
– Вот это голландский посланик, видите, седой, – говорила Перонская, указывая на старичка с серебряной сединой курчавых, обильных волос, окруженного дамами, которых он чему то заставлял смеяться.
– А вот она, царица Петербурга, графиня Безухая, – говорила она, указывая на входившую Элен.
– Как хороша! Не уступит Марье Антоновне; смотрите, как за ней увиваются и молодые и старые. И хороша, и умна… Говорят принц… без ума от нее. А вот эти две, хоть и нехороши, да еще больше окружены.
Она указала на проходивших через залу даму с очень некрасивой дочерью.
– Это миллионерка невеста, – сказала Перонская. – А вот и женихи.
– Это брат Безуховой – Анатоль Курагин, – сказала она, указывая на красавца кавалергарда, который прошел мимо их, с высоты поднятой головы через дам глядя куда то. – Как хорош! неправда ли? Говорят, женят его на этой богатой. .И ваш то соusin, Друбецкой, тоже очень увивается. Говорят, миллионы. – Как же, это сам французский посланник, – отвечала она о Коленкуре на вопрос графини, кто это. – Посмотрите, как царь какой нибудь. А всё таки милы, очень милы французы. Нет милей для общества. А вот и она! Нет, всё лучше всех наша Марья то Антоновна! И как просто одета. Прелесть! – А этот то, толстый, в очках, фармазон всемирный, – сказала Перонская, указывая на Безухова. – С женою то его рядом поставьте: то то шут гороховый!
Пьер шел, переваливаясь своим толстым телом, раздвигая толпу, кивая направо и налево так же небрежно и добродушно, как бы он шел по толпе базара. Он продвигался через толпу, очевидно отыскивая кого то.
Наташа с радостью смотрела на знакомое лицо Пьера, этого шута горохового, как называла его Перонская, и знала, что Пьер их, и в особенности ее, отыскивал в толпе. Пьер обещал ей быть на бале и представить ей кавалеров.
Но, не дойдя до них, Безухой остановился подле невысокого, очень красивого брюнета в белом мундире, который, стоя у окна, разговаривал с каким то высоким мужчиной в звездах и ленте. Наташа тотчас же узнала невысокого молодого человека в белом мундире: это был Болконский, который показался ей очень помолодевшим, повеселевшим и похорошевшим.
– Вот еще знакомый, Болконский, видите, мама? – сказала Наташа, указывая на князя Андрея. – Помните, он у нас ночевал в Отрадном.
– А, вы его знаете? – сказала Перонская. – Терпеть не могу. Il fait a present la pluie et le beau temps. [От него теперь зависит дождливая или хорошая погода. (Франц. пословица, имеющая значение, что он имеет успех.)] И гордость такая, что границ нет! По папеньке пошел. И связался с Сперанским, какие то проекты пишут. Смотрите, как с дамами обращается! Она с ним говорит, а он отвернулся, – сказала она, указывая на него. – Я бы его отделала, если бы он со мной так поступил, как с этими дамами.


Вдруг всё зашевелилось, толпа заговорила, подвинулась, опять раздвинулась, и между двух расступившихся рядов, при звуках заигравшей музыки, вошел государь. За ним шли хозяин и хозяйка. Государь шел быстро, кланяясь направо и налево, как бы стараясь скорее избавиться от этой первой минуты встречи. Музыканты играли Польской, известный тогда по словам, сочиненным на него. Слова эти начинались: «Александр, Елизавета, восхищаете вы нас…» Государь прошел в гостиную, толпа хлынула к дверям; несколько лиц с изменившимися выражениями поспешно прошли туда и назад. Толпа опять отхлынула от дверей гостиной, в которой показался государь, разговаривая с хозяйкой. Какой то молодой человек с растерянным видом наступал на дам, прося их посторониться. Некоторые дамы с лицами, выражавшими совершенную забывчивость всех условий света, портя свои туалеты, теснились вперед. Мужчины стали подходить к дамам и строиться в пары Польского.
Всё расступилось, и государь, улыбаясь и не в такт ведя за руку хозяйку дома, вышел из дверей гостиной. За ним шли хозяин с М. А. Нарышкиной, потом посланники, министры, разные генералы, которых не умолкая называла Перонская. Больше половины дам имели кавалеров и шли или приготовлялись итти в Польской. Наташа чувствовала, что она оставалась с матерью и Соней в числе меньшей части дам, оттесненных к стене и не взятых в Польской. Она стояла, опустив свои тоненькие руки, и с мерно поднимающейся, чуть определенной грудью, сдерживая дыхание, блестящими, испуганными глазами глядела перед собой, с выражением готовности на величайшую радость и на величайшее горе. Ее не занимали ни государь, ни все важные лица, на которых указывала Перонская – у ней была одна мысль: «неужели так никто не подойдет ко мне, неужели я не буду танцовать между первыми, неужели меня не заметят все эти мужчины, которые теперь, кажется, и не видят меня, а ежели смотрят на меня, то смотрят с таким выражением, как будто говорят: А! это не она, так и нечего смотреть. Нет, это не может быть!» – думала она. – «Они должны же знать, как мне хочется танцовать, как я отлично танцую, и как им весело будет танцовать со мною».
Звуки Польского, продолжавшегося довольно долго, уже начинали звучать грустно, – воспоминанием в ушах Наташи. Ей хотелось плакать. Перонская отошла от них. Граф был на другом конце залы, графиня, Соня и она стояли одни как в лесу в этой чуждой толпе, никому неинтересные и ненужные. Князь Андрей прошел с какой то дамой мимо них, очевидно их не узнавая. Красавец Анатоль, улыбаясь, что то говорил даме, которую он вел, и взглянул на лицо Наташе тем взглядом, каким глядят на стены. Борис два раза прошел мимо них и всякий раз отворачивался. Берг с женою, не танцовавшие, подошли к ним.
Наташе показалось оскорбительно это семейное сближение здесь, на бале, как будто не было другого места для семейных разговоров, кроме как на бале. Она не слушала и не смотрела на Веру, что то говорившую ей про свое зеленое платье.
Наконец государь остановился подле своей последней дамы (он танцовал с тремя), музыка замолкла; озабоченный адъютант набежал на Ростовых, прося их еще куда то посторониться, хотя они стояли у стены, и с хор раздались отчетливые, осторожные и увлекательно мерные звуки вальса. Государь с улыбкой взглянул на залу. Прошла минута – никто еще не начинал. Адъютант распорядитель подошел к графине Безуховой и пригласил ее. Она улыбаясь подняла руку и положила ее, не глядя на него, на плечо адъютанта. Адъютант распорядитель, мастер своего дела, уверенно, неторопливо и мерно, крепко обняв свою даму, пустился с ней сначала глиссадом, по краю круга, на углу залы подхватил ее левую руку, повернул ее, и из за всё убыстряющихся звуков музыки слышны были только мерные щелчки шпор быстрых и ловких ног адъютанта, и через каждые три такта на повороте как бы вспыхивало развеваясь бархатное платье его дамы. Наташа смотрела на них и готова была плакать, что это не она танцует этот первый тур вальса.
Князь Андрей в своем полковничьем, белом (по кавалерии) мундире, в чулках и башмаках, оживленный и веселый, стоял в первых рядах круга, недалеко от Ростовых. Барон Фиргоф говорил с ним о завтрашнем, предполагаемом первом заседании государственного совета. Князь Андрей, как человек близкий Сперанскому и участвующий в работах законодательной комиссии, мог дать верные сведения о заседании завтрашнего дня, о котором ходили различные толки. Но он не слушал того, что ему говорил Фиргоф, и глядел то на государя, то на сбиравшихся танцовать кавалеров, не решавшихся вступить в круг.
Князь Андрей наблюдал этих робевших при государе кавалеров и дам, замиравших от желания быть приглашенными.
Пьер подошел к князю Андрею и схватил его за руку.
– Вы всегда танцуете. Тут есть моя protegee [любимица], Ростова молодая, пригласите ее, – сказал он.
– Где? – спросил Болконский. – Виноват, – сказал он, обращаясь к барону, – этот разговор мы в другом месте доведем до конца, а на бале надо танцовать. – Он вышел вперед, по направлению, которое ему указывал Пьер. Отчаянное, замирающее лицо Наташи бросилось в глаза князю Андрею. Он узнал ее, угадал ее чувство, понял, что она была начинающая, вспомнил ее разговор на окне и с веселым выражением лица подошел к графине Ростовой.
– Позвольте вас познакомить с моей дочерью, – сказала графиня, краснея.
– Я имею удовольствие быть знакомым, ежели графиня помнит меня, – сказал князь Андрей с учтивым и низким поклоном, совершенно противоречащим замечаниям Перонской о его грубости, подходя к Наташе, и занося руку, чтобы обнять ее талию еще прежде, чем он договорил приглашение на танец. Он предложил тур вальса. То замирающее выражение лица Наташи, готовое на отчаяние и на восторг, вдруг осветилось счастливой, благодарной, детской улыбкой.