Сторінка
1

Наука вимірювання: становлення і сучасність

У сучасному розумінні наукою про вимірювання називають, як уже було сказано, метрологію. Але історія становлення й удосконалення вимірювань так само давня, як і історія цивілізації. Вимірювання — це один із засобів розвитку матеріальної культури суспільства.

Необхідність вимірювань стала зрозумілою людям іще в доісторичні часи. Перші міри (водночас і засоби вимірювання) — це здебільшого руки і ноги людини, що завжди були «напохваті». З розвитком продуктивних сил, економіки і торгівлі міри (засоби вимірю­вання) набули загальносуспільного значення, удосконалювались і уточнювались. Відомо, що вже у стародавньому Єгипті було запроваджено перші узаконені міри: «великий царський лікоть» (525 мм) і «малий лікоть» (450 мм). Похідною від ліктя була одиниця площі арур — квадрат зі стороною в сто великих ліктів і одиниця місткості хомен — половина об’єму куба з ребром в один великий лікоть.

У Європі найбільш рання спроба впровадження узаконених мір датується VI ст. до н. е. і зв’язується з ім’ям відомого грецького реформатора Солона. Тоді обов’язковою мірою довжини в Греції був фут (близько 297 мм) і стадія. В інших країнах обов’язкових мір не існувало. Так, навіть у кінці XVIII ст. на європейських ринках застосовували близько 100 різної довжини «футів», 50 різних «миль», понад 100 різних мір ваги — «фунтів». Подекуди, наприклад в Австрії, майже кожне місто, і навіть окремі ринки того самого міста, мали власні міри. Перерахунки однієї міри в іншу потребували досить складних арифметичних дій: наприклад, англійський ярд (914 мм) не був кратним французькому туазові (1950 мм), а останній — російському аршину (711 мм) і т. д. Та навіть тоді, коли відношення й були кратними, вони не були системними. Так, у Росії миля дорівнювала семи верстам, верста — 500 саженям, сажень — трьом аршинам, аршин — чотирьом чвертям, чверть — чотирьом вершкам. Спробуйте швидко підрахувати, скільки у милі вершків! Поряд з цим існувала ще одна проблема. У процесі використання інструменти вимірювання (різноманітні лінійки, палиці, гирі тощо) поступово зношувалися, втрачали свій номінальний розмір і вагу, а для їх відновлення не існувало надійного, «незалежного» від людини еталона. Саме це і спонукало в кінці XVIII ст. учених, прогресивних промисловців, комерсантів створити нову однакову для всіх країн систему мір, котра, як писав один із французьких учених, «була б гідна людей свого освіченого часу і не могла б залежати від сваволі людини, а запозичена була б у самої природи».

З рішення Національних зборів Паризька академія наук створила комісію, до якої ввійшли видатні вчені: математик Жорж Луї Лагранж, астроном П’єр Симон Лаплас, геометр Гаспар Монж, геодезист і математик Жан Шарль Борда і економіст Жан Антуан Кондорсе. Саме вони запропонували «узяти за основну одиницю міри довжини одну десятимільйонну частину чверті земного меридіану». Як виникла ця ідея? На жаль, про це не написано в шкільних підручниках, хоча відомо, що досить точно величину земної кулі виміряв іще давньогрецький математик, астроном і географ Ератосфен Кіренський, який жив близько 276—194 рр. до н. е. і, так само як і Арістотель, уважав, що Земля має кулясту форму. За його вимірами (у перерахунку на наші міри) довжина меридіану становить приблизно 40 000 км. Як він спромігся це зробити? Ератосфен знав, що в день літнього сонцестояння в єгипетському місті Сиєні (сучасний Асуан) Сонце стоїть в зеніті і його промені освітлюють дно глибоких колодязів. Водночас в Александрії (на північ від Сиєни на тому самому меридіані) кут між сонячним променем і віссю колодязя (отже і між двома радіусами Землі — АС і ВС) відповідає 7°12¢, що становить 1/50 частку кола (меридіану Землі). Відстань між Сиєною і Александрією була відома — 5000 грецьких стадій (1 стадія — близько 175 м), звідки окружність земної кулі визначалася як 5 000 ´ ´ 50 = 250 000 стадій (рис. 11).

Рис. 11. Метод вимірювання давньогрецьким ученим Ератосфеном Киренським довжини меридіану Землі (ІІІ ст. до н. е.)

Зрозуміло, що засоби вимірювання за часів Ератосфена були недосконалі і його досить точні вимірювання скоріше сприятлива випадковість, ніж свідома майстерність. Але ідею французьких учених виміряти довжину Земного меридіану було запозичено в Ератосфена. Протягом шести років (1792—1798) під керівництвом учених Деламбре і Мешена геодезисти й математики виконували градусне вимірювання довжини Паризького меридіану від Дюнкерка до міста Монж поблизу Барселони.

Одиницею виміру був французький туаз (близько 1,95 м). За нову одиницю було прийнято 1/10 000 000 частку чверті меридіану, яку назвали метром (від грецького metrέw — міра), а система мір на її основі отримала назву метричної. Кожна більша одиниця послідовно збільшувалась кратно 10, а її назва починалася з грецького префікса «дека» (десять), «гекто» (сто), «кіло» (тисяча). Назва одиниць, менших за метр, починалася з латинських префіксів «деці», «санти», «мілі». Інші важливі особливості метричної системи — взаємозв’я­зок, кратний 10, між одиницями площі, об’єму і одиницею ваги. Вагу одного кубічного дециметра хімічно чистої води температурою +4°С було взято за одиницю ваги і названо кілограмом, а її 1/1000 — грамом. На честь нової системи було навіть розроблено проект медалі з написом «На всі часи — для всіх народів» (рис. 12).

Здавалося б, запровадження не тільки в науку, а і в практику виробництва, торгівлі й побуту такої досконалої та зручної системи не викликатиме спро­тиву. На жаль, сталося не так, тривала історія впровадження метра в багатьох країнах світу не завершилась і нині. Проти запровадження метричної системи у Франції виступив «перший француз» Наполе­он Бонапарт і, хоч як див­но, але саме з огляду на економічну незручність: «Щоб прийняти нову систему мір і ваги, — писав він, — треба перекроїти всі адміністративні правила, всі розрахунки промисловості; така робота страхає розум». Водночас французькі реформатори вимагали покінчити зі «строкатістю мір — нагадуванням про ганьбу феодального рабства». Знадобилося майже століття, щоб у Парижі на конференції 20-ти країн (1875) представники 17-ти з них прийняли нову метричну систему і підписали конвенцію про «забезпечення міжнародної єдності вимірювань і вдосконалення метричної системи мір». Конференція прийняла рішення про утворення і підтримку державами — учасницями конференції Міжнародного бюро мір і ваги — першої у світі науково-дослідної установи (МБМВ), яка б опрацьовувала міждержавні програми з метрології.