Международная система единиц СИ: история и состояние

Эйфория и разочарования

Эйфория по поводу принятия метрической системы продолжалась около сорока лет. Она закончилась в 1837 г., когда знаменитый астроном, математик и метролог Ф. Бессель повторил измерение длины четверти парижского меридиана и установил, что она равна не 10 000 000, а 10 000 856 м. Метр оказался короче метра 1799 г. почти на 0,1 мм. Это очень много для точных линейных измерений. Последующие измерения продолжали всякий раз давать разные результаты. В конце концов, в 1872 г. международная комиссия, созванная по инициативе Петербургской академии наук, приняла вынужденное, но единственно возможное решение: отныне метр не связан с длиной земного меридиана, а просто равен архивному метру, концевой мере из платины, изготовленной еще в 1799 г. Чтобы оценить всю нетривиальность принятого решения, вспомним еще раз формулировку основных принципов, которым должна была соответствовать метрическая система. Она должна была быть «основанной на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли применять все нации». Решение 1872 г. означало отказ от прототипа (эталона), взятого из природы, и замену его «рукотворным» изделием.

Около 1870 г. метрологи убедились, что каждое новое определение размера килограмма, как массы 1 дм³ воды при температуре ее максимальной плотности, тоже дает разный результат. Традиционный путь – ужесточение условий измерений, учет все новых и новых источников погрешности, явно вел в тупик (а ведь в то время еще не подозревали, например, о том, что «разная» вода имеет разный изотопный состав). Опять потребовалось нестандартное решение.

В том же самом 1872 г., той же самой международной комиссией было принято новое определение: килограмм стал просто равен массе архивного килограмма (гири, изготовленной еще в 1799 г.) и потерял связь с метром. Пришлось отказаться от второго основного принципа, сформулированного в 1791 г., построения системы единиц, с опорой на один прототип, на одну единственную основную единицу — метр. Теперь их оказалось две. И от основной идеи творцов метрической системы не осталось ровным счетом ничего.

Метрическая конвенция

Сто тридцать лет назад, 20 мая 1875 г., представителями 17-и промышленно развитых государств, включая Россию, был подписан «Дипломатический документ метрической конференции». Мы называем этот документ «Метрической Конвенцией», поскольку в его преамбуле сказано, что полномочные представители ряда стран, «…желая обеспечить международную унификацию и усовершенствование метрической системы», решили для этого заключить Конвенцию…

Интересно, что среди полномочных представителей превалировали министры, послы и посланники и практически отсутствовали ученые метрологи. Но при этом метрологический уровень Конвенции оказался очень высоким. Отсюда следует вывод, что в девятнадцатом веке правящие круги относились к мнениям ученых с большим вниманием. Хотелось бы, чтобы так было и в веке двадцать первом.

Публикаций по поводу очередных юбилеев со дня подписания Метрической Конвенции накопилось великое множество. И действительно, вряд ли можно назвать еще какие-нибудь международные соглашения, действующие так долго. С другой стороны, сложился некий алгоритм составления таких публикаций. Все они похожи друг на друга и содержат практически обязательные разделы (блоки):

• Краткая история вопроса, с 1791 г. или еще раньше.
• Драматические события, заставившие отказаться от первоначального определения метра (и зависящего от него определения килограмма).
• Переход на рукотворные эталоны.
• Подготовка к проведению конференции 1875 г.
• Триумфальное шествие метрической системы по всему миру.
• Разработка и принятие в 1960 г. интернациональной системы единиц – SI (СИ).

Эти вопросы частично уже рассмотрены в предыдущих разделах данной публикации либо будут рассмотрены ниже.

Развитие метрологии с подписанием метрической конвенции не только не стабилизировалось, а даже ускорилось. Сначала, с легкой руки Ф. Гаусса, предложившего еще в 1832 г. свою абсолютную систему, появилась третья основная единица – секунда. Появление ее не вызвало, по-видимому, каких-либо потрясений. Во-первых, ее наличие подразумевалось. Это следует хотя бы из того, что одним из претендентов на роль метра был секундный маятник, точнее его длина. Существовала хорошо налаженная астрономическая служба единого времени. Такие величины, как скорость, ускорение, число оборотов измерялись достаточно квалифицированно. «Внесистемность» секунды никого не беспокоила. Во-вторых, после того, как пришлось отказаться от построения системы с опорой на одну единственную основную единицу, увеличение их числа уже не было принципиальным.

После этого начался период разработки различных систем, уже не мер, а единиц измерений. Не лишенный, на мой взгляд, некоторых странностей. Первой появилась, уже упомянутая, «абсолютная система единиц» Гаусса с основными единицами: миллиметр, миллиграмм, секунда.

Затем процесс «системотворчества» как бы разделился на два, практически независимых потока. По терминологии Пригожина, метрология миновала точку бифуркации. С одной стороны планомерно расширялась и совершенствовалась метрическая система, постепенно превращаясь из системы мер в систему единиц измерений.

Первыми в 1901 г. были приняты системы МКС и МКСА; затем системы МСК (МКСКД, МКСЛМ). Одной из последних, в 1919 г. – МТС. Существовала еще (только для механических величин) МКГСС. Наконец, в 1948 г., Международный Союз чистой и прикладной физики – МСЧиПФ выступил с предложением о разработке единой международной системы единиц измерений. Эта система, ныне известная всем СИ, была принята в 1960 г. на XI ГКМВ.

Все было бы правильно и логично. Но…

Второй, параллельный, поток ознаменовался разработкой и принятием обширного семейства систем СГС. Интересно, что эти события происходили «по горячим следам» метрической конвенции. Эти системы были разработаны в 1862-1870 годах Комитетом по электрическим эталонам Британской ассоциации для развития наук и приняты Первым международным конгрессом электриков (г. Париж) в 1881 г., всего через два года после рассылки по всему миру прототипов (эталонов) метра и килограмма. Я нигде не смог найти источников этой ситуации. Начальные навыки существования в рыночной системе формулируют естественный вопрос – кто лоббировал системы СГС, кому они были выгодны? Жертвую эту тему будущему историку метрологии. Ситуация, воистину, странная. Одновременно действует метрическая система с основными единицами: метр и килограмм,- и созвездие систем СГС с соответствующими единицами: сантиметр и грамм. Причем никто даже не пытается создать эталоны (меры) сантиметра и грамма (ясно, что они получатся менее точными, чем метрические). Говоря грубо, системы СГС паразитируют на метрической.

Я не ставил перед собой задачу рассмотрения достоинств и недостатков систем СГС. Скажу только, что они широко применяются в научной практике и в публикациях многих известных физиков. Но они менее пригодны, чем СИ, в практической деятельности.

Закончу этот раздел сводной таблицей, взятой из книги Г. Д. Бурдуна «Справочник по международной системе единиц».

Автор(ы): Брянский Л.Н.
Номер журнала: КИПиС 2007 № 3, КИПиС 2007 № 4