Meter

Kocka s stranico enega metra, ob njej otrok za ponazoritev

Méter (simbol m) je osnovna enota SI za merjenje dolžine, enaka razdalji, ki jo svetloba prepotuje v vakuumu v 1299.792.458 sekunde.[1] Kot pri ostalih enotah SI skrbi za mednarodno skladnost določanja magnitude metra Mednarodni urad za uteži in mere (BIPM), ki podaja priporočila za praktično izvedbo definicije metra za potrebe kalibracije drugih merilnih priprav. Ta je v domeni pooblaščenih državnih ustanov v državah, ki uporabljajo standard SI. Priporočena praktična izvedba je žarek helij-neonovega laserja, stabiliziranega z jodovo celico, oz. 1.579.800,762042(33) valovne dolžine izsevane svetlobe v zraku, ki jih določimo z interferometrom.[Op. 1][2] Akreditirana ustanova v Sloveniji za izvajanje kalibracij je Laboratorij za tehnološke meritve Fakultete za strojništvo v Mariboru.[3]

V preteklosti je bil meter definiran kot desetmilijoninka razdalje med ekvatorjem in severnim tečajem po poldnevniku, ki poteka skozi Pariz. Praktična izvedba je bila dolgo časa v obliki fizičnega predmeta – palice iz platine in nato iz zlitine platine ter iridija, s katero so primerjali merilne priprave. Vendar pa je tako velik fizičen predmet nestabilen in podvržen poškodbam ter drugim tveganjem, zato je bila leta 1960 sprejeta nova definicija, osnovana na valovni dolžini sevanja vzbujenega atoma kriptona v vakuumu, to pa je leta 1983 nadomestila sedanja, ki omogoča večjo natančnost.

Etimologija

Pečat Mednarodnega urada za uteži in mere z izrekom ΜΕΤΡΩ ΧΡΩ (metro hro)

Beseda meter ima izvor v starogrškem glagolu μετρέω (metreo) - »meriti«, »šteti« oz. »primerjati«, ki se je uporabljala tako v smislu fizičnega merjenja, kot tudi za metriko v poeziji in, širše, zmernost v ravnanju človeka. Ta razpon pomenov se ohranja v latinščini (metior, mensura), francoščini (mètre, mesure) in drugih jezikih. Moto ΜΕΤΡΩ ΧΡΩ (metro hro) v pečatu Mednarodnega urada za uteži in mere (BIPM), izrek starogrškega državnika in filozofa Pitaka iz Mitilene v prevodu »Uporabi mero!«, torej poziva hkrati k merjenju in zmernosti.

Zgodovina

Meter je osnovna enota merskega sistema, ki temelji na desetiškem številskem sistemu, in je konec 18. stoletja začel nadomeščati številne tradicionalne enote dolžine. Prvič je bil uradno uveljavljen v Franciji med francosko revolucijo, kot poskus revolucionarjev v celoti preiti na univerzalni desetiški sistem pri merjenju (hkrati so predelali celo koledar). Sama zamisel pa je več kot stoletje starejša – leta 1668 je angleški filozof John Wilkins v svojem eseju zapisal, da bi lahko meter definirali kot dolžino nihala s periodo ene sekunde (zamisel je pripisal Christopherju Wrenu).[4] Enako metodo je nekaj let kasneje predlagal italijanski prirodoslovec Tito Livio Burattini za merski sistem, ki bi temeljil na sekundi. Christiaan Huygens je opravil prvi poskus in ugotovil, da ta dolžina znaša 39,25 angleških palcev (zdajšnjih 997 mm).

Poldnevniška definicija

Grad Montjuïc v Barceloni na južnem koncu poldnevniškega loka, iz katerega so izračunali dolžino metra

Konec 18. stoletja so ugotovili, da je sila težnosti odvisna od položaja na zemeljski obli, saj Zemlja ni pravilna krogla, zato bi bilo poskus težko ponoviti. Da bi omogočili neodvisno določanje magnitude metra, so se člani komisije Francoske akademije znanosti (Académie des sciences) leta 1791 namesto tega odločili, da meter definirajo kot eno desetmilijoninko dolžine loka na površini Zemlje med njenim polom in ekvatorjem, potegnjenega po poldnevniku skozi Pariz. V ta namen je akademija financirala znanstveno odpravo s ciljem natančne meritve razdalje med zvonikom v kraju Dunkerque na severu Francije in gradom Montjuïc v Barceloni (pod predpostavko, da je poldnevnik skozi Dunkerque enak kot tisti skozi Pariz). Meritev, ki sta jo opravljala Jean-Baptiste Joseph Delambre in Pierre-François-André Méchain, je trajala od leta 1792 do 1799, že 7. aprila 1795 pa je Francija sprejela meter kot uradno dolžinsko mero na podlagi starejših meritev (skladno z njimi je kilometer znašal 443,44 takratne francoske linije).

Problem te definicije je bil, da so za model obliko Zemlje vzeli geoid, približek, ki ne upošteva lokalnih značilnosti površja. Kljub pomislekom je bila vrednost sprejeta in ko sta Delambre ter Méchain pregledala svoje izračune, sta prišla do svojega rezultata, po katerem je bil kilometer 0,144 francoske linije krajši, torej 0,03 % razlike.

Prameter

Medtem je komisija naročila izdelavo serije palic iz platine in ko sta Delambre ter Méchain sporočila svoj rezultat, so vzeli tisto, ki se je po dolžini najbolj ujemala, ter jo 22. junija 1799 shranili v Narodnem arhivu kot trajen zapis.[5] Ta predmet je dobil ime mètre des Archives in je obveljal za standard. Francija je uradno sprejela metrični sistem 10. decembra 1799.

François Arago in Jean-Baptiste Biot sta kasneje raztegnila geodetski lok, po katerem je bil določen meter, in ugotovila, da je vrednost 443,296 linije prekratka. Njun izračun 443,31 linije so kasneje še podaljšali na 443,39.[5][Op. 2] Kljub temu, da je definicija omogočala neodvisno določanje magnitude metra, se je to izkazalo za izredno nepraktično, tako da so države, ki so sledile francoskemu zgledu (začenši z Nizozemsko leta 1816), naročile replike arhivskega metra za lastno uporabo. Čeprav se je izkazalo, da je prekratek, je mednarodna metrična komisija leta 1872 sklenila definirati novi mednarodni standardni meter kot dolžino arhivskega metra v stanju, v kakršnem je bil takrat.[6] Rezultat prizadevanj za poenotenje merskih enot na mednarodni ravni je bil podpis metrske konvencije leta 1875 in vzpostavitev organizacijske strukture za standardizacijo.

Konica replike prametra s številko 27, ki so jo kot nacionalni standard uporabljale Združene države Amerike

Da bi omilili težave z arhivskim metrom, kot sta obraba in temperaturna nestabilnost, je novoustanovljeni BIPM britanskemu podjetju Johnson Matthey naročil izdelavo 30 novih palic iz zlitine 90 % platine in 10 % iridija z natančnostjo, kolikor je je omogočala takratna tehnologija. Ta zlitina je bistveno trša od čiste platine, palice pa so bile izdelane v profilu, podobnem črki X, kar daje večjo stabilnost napram strižnim silam. Eno od teh palic, ki je najbolj ustrezala arhivskemu metru, so na Generalni konferenci za uteži in mere leta 1889 nato imenovali za prameter, ostale pa so razdelili med države podpisnice metrske konvencije za uporabo kot nacionalne standarde (z ustreznim korekcijskim faktorjem). Takrat sprejeta definicija metra je bila dolžina prametra pri nič stopinjah Celzija in standardnem tlaku, hkrati pa je bil vzpostavljen tudi sistem za redno primerjanje (kalibracijo) nacionalnih standardov z njim.[7] Prameter je bil shranjen v trezorju Mednarodnega urada za uteži in mere v Sèvresu.

Prvo in edino ponovno primerjanje nacionalnih prototipov s prametrom so izvedli med leti 1921 in 1936 ter ugotovili, da je definicija stabilna z mero negotovosti 0,2 µm.[8] V tem času je bila definicija izražena natančneje, saj je v izvirni obliki določila le, da bo »prototip, pri temperaturi taljenja ledu, odslej predstavljal metrično enoto dolžine«. 7. Generalna konferenca za uteži in mere leta 1927 je tako določila:[9]

Enota dolžine je meter, definiran kot razdalja, pri 0°, med osmi dveh centralnih črt, zarisanih na palici iz platine-iridija in shranjene v Bureau International des Poids et Mesures in imenovane Prototip metra na 1. Conférence Générale des Poids et Mesures, pri čemer je palica izpostavljena standardnemu atmosferskemu tlaku in položena na dva valja premera vsaj en centimeter, ki sta postavljena simetrično v isti vodoravni ravnini na razdalji 571 mm drug od drugega.

Razdalja 571 mm med valji, na katera je simetrično položen prameter (47 njegove dolžine), ustreza Airyjevim točkam palice, kar zagotavlja minimalno ukrivljanje.[10]

Sevanje kriptona

Že konec 19. stoletja je fizik Albert Abraham Michelson predlagal, da bi lahko meter izrazili z valovnimi dolžinami sevanja, in v laboratorijih BIPM s takratnim direktorjem J. Renéjem Benoîtom izvajal meritve prametra z interferometrom lastne izdelave. Preskusil je več možnosti in kot najustreznejšo izbral kadmijevo svetilko, hkrati pa je odkril pojava fine in hiperfine strukture v spektralnih črtah vzbujenih atomov, ki sta igrala pomembno vlogo pri razvoju kvantne mehanike in teorije relativnosti. Za to delo je leta 1907 prejel Nobelovo nagrado za fiziko. Kasneje so pri BIPM izboljšali metodo in leta 1927 je 7. Generalna konferenca za uteži in mere sprejela alternativno definicijo metra kot 1.553.164,13 valovne dolžine sevanja kadmija, izmerjenih s Fabry-Pérotovim interferometrom.[7]

Kriptonova svetilka v Narodnem muzeju narave in znanosti, Tokio

Po drugi svetovni vojni so z novimi spoznanji močno izboljšali natančnost metode. Z uporabo samo enega izotopa so zmanjšali število komponent spektralne črte, z merjenjem težkih atomov pri nizkih temperaturah so zmanjšali vpliv gibanja atomov, uporaba izotopa s sodim izotopskim številom pa je izničila učinek fine strukture. Tem kriterijem je zadostila luč, napolnjena s kriptonom 86Kr;[7] na 11. Generalni konferenci za uteži in mere leta 1960 je bila torej uradno sprejeta nova definicija metra:[11]

Dolžina, enaka 1.650.763,73 valovne dolžine v vakuumu izseva, ki ustreza prehodu med [energijskimi] nivoji 2p10 in 5p5 atoma kriptona-86.

Ta definicija je odpravila odvisnost od fizičnega predmeta in namesto tega meter opredelila na osnovi neuničljivega naravnega standarda. Prameter ima vse odtlej le še arhivski pomen, še vedno ga hrani Mednarodni urad za uteži in mere na svojem posestvu v Sèvresu.[11]

Definicija na osnovi sevanja kriptona je veljala 23 let, do 1983, ko jo je 11. Generalna konferenca za uteži in mere zamenjala s sedanjo, saj izvedba ni bila dovolj natančna za vsa področja uporabe.[1]

Mnogokratniki

Za mnogokratnike in manjše enote uporabljamo predpone SI. Največkrat uporabljamo:

mnogokratniki SI za gram (g)
deli večkratniki
vrednost znak SI ime vrednost znak SI ime
10-1 m dm decimeter 101 m dam dekameter
10-2 m cm centimeter 102 m hm hektometer
10-3 m mm milimeter 103 m km kilometer
10-6 m µm mikrometer 106 m Mg megameter
10-9 m nm nanometer 109 m Gm gigameter
10-12 m pm pikometer 1012 m Tm terameter
10-15 m fm femtometer 1015 m Pm petameter
10-18 m am atometer 1018 m Em eksameter
10-21 m zm zeptometer 1021 m Zm zetameter
10-24 m ym joktometer 1024 m Ym jotameter

Posebnosti

  • V splošni uporabi je tudi beseda »mikron« za mikrometer,[Op. 3][12] kar pa po standardu ni zaželeno.[13]
  • Mnogokratniki razen kilometra se redko uporabljajo. V vsakdanji uporabi dolžine v rangu 101 in 102 m izražamo kar z metri namesto z mnogokratniki (na primer 30 m ali 300 m namesto 3 dam ali 3 hm). V astronomiji zelo velike razdalje izražajo z astronomskimi enotami (149,6 Gm), svetlobnimi leti (1 Pm) ali parseki (31 Pm).

Razmerje z ostalimi enotami SI

Soodvisnost osnovnih enot SI

Meter je eden od temeljev za velik del trenutne strukture mednarodnega sistema enot, čigar pomembna vrlina je natančna matematična in logična skladnost enot. Magnituda samega metra je odvisna od sekunde, z metrom pa sta nato posredno ali neposredno izraženi magnitudi dveh drugih osnovnih enot SI: kandele za svetilnost in ampera za električni tok. Tem nadalje sledi množica izpeljanih enot, ki se uprabljajo za merjenje cele vrste lastnosti narave. Newton je recimo definiran kot sila, ki jo potrebujemo, da pospešimo maso enega kilograma z enim metrom na kvardatno sekundo. Newton je nato osnova za definicijo enot za električni tok (amper), tlak (paskal), energijo (džul), moč (vat) idr., kaskada odvisnosti pa se nato nadaljuje še dalje (amper in vat na primer definitrata enoto volt za napetost, ta pa nato skupaj s sekundo enoto weber za magnetni pretok).

Pretvorba v druge enote dolžine

1 meter je

1010 Angstremov
3,2808 čevlja
1,0936 jarda
0,5274 sežnja
0,00054 morske milje
0,00062 mednarodne milje
~2 egipčanska kraljeva kubita (ohranjene merilne palice merijo 0,523–0,529 m)

Opombe

  1. Frekvenca vzbujenih atomov plina v mehanizmu laserja je 473.612.353.604(10) kHz, kar da valovno dolžino 632.991.212,58 fm, pri standardizirani izvedbi je negotovost 2,1 × 10-11. Številke v oklepajih izražajo mero negotovosti v razponu treh standardnih odklonov na vsako stran.
  2. Vrednost kilometra na referenčnem sferoidu v sodobnem koordinatnem sistemu WGS 84 je 1,00019657 m ali 443,38308 linije.
  3. Slovar slovenskega knjižnega jezika denimo navaja, da je mikron merska enota, dolga milijoninko metra, edini pomen besede »mikrometer« pa je istoimenska merilna priprava.

Sklici

  1. 1,0 1,1 "Resolution 1 of the 17th CGPM". Mednarodni urad za uteži in mere. 1983. Pridobljeno dne 28.12.2016. 
  2. "Iodine (λ≈633 nm)" (PDF). MEP (Mise en Pratique). BIPM. 2003. Pridobljeno dne 1.1.2017. 
  3. "Dolžina". Nacionalni sistem etalonov. Urad Republike Slovenije za meroslovje. Pridobljeno dne 1.1.2017. 
  4. Wilkins, John (1668). "An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Reproduction)" (PDF). Pridobljeno dne 1.1.2017.  (skrajšana transkripcija)
  5. 5,0 5,1 Larousse, Pierre, ur. (1874). "Métrique". Grand dictionnaire universel du XIXe siècle 11. Pariz: Pierre Larousse. str. 163–164. 
  6. "The BIPM and the evolution of the definition of the metre". Mednarodni urad za uteži in mere. Pridobljeno dne 5.1.2017. 
  7. 7,0 7,1 7,2 Nelson, Robert A. (1981). "Foundations of the international system of units (SI)" (PDF). The Physics Teacher: 596–613. 
  8. Barrell, H. (1962). "The Metre". Contemporary Physics 3 (6): 415–434. Bibcode:1962ConPh...3..415B. doi:10.1080/00107516208217499. 
  9. The International System of Units (SI). Mednarodni urad za uteži in mere. 2006. pp. 142–143, 148. ISBN 92-822-2213-6 . http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf. 
  10. Phelps, F. M. III (1966). "Airy Points of a Meter Bar" 34 (5). American Journal of Physics: 419–422. Bibcode:1966AmJPh..34..419P. doi:10.1119/1.1973011. 
  11. 11,0 11,1 "Resolution 6 of the 11th CGPM (1960)". Mednarodni urad za uteži in mere. Pridobljeno dne 7.1.2017. 
  12. "Mikron". Fran.si. Inštitut za slovenski jezik Frana Ramovša. Pridobljeno dne 28.12.2016. 
  13. "NIST Guide to the SI, Chapter 5: Units Outside the SI". National Institute of Standards and Technology. Pridobljeno dne 31.12.2016. 

Glej tudi

Zunanje povezave

  • Več gradiva o temi Meter v Wikimedijini zbirki