Эволюция в измерении расстояний
120 лет назад, в 1899 году, в России была разрешена к использованию метрическая система, которую разработали и приняли во Франции на век раньше. Китай признал метрическую систему 90 лет назад, Великобритания официально перешла на нее в 1995 году, а США до сих пор продолжают использовать традиционную английскую систему мер. Мы решили вспомнить историю и рассказать, как и чем в разных странах люди измеряли расстояние.
Первые единицы измерения
С давних времен людям требовалось измерить расстояние, участок земли, морской путь или длину предмета. Первые путешественники, торговцы, мореплаватели, строители и астрономы нуждались в единицах измерения и приборах и изобретали их в зависимости от фантазии и возможностей. Древние системы мер были очень субъективными и, как правило, привязывались к размерам человеческого тела.
В Древней Греции и Риме были в ходу единицы измерения от пальца и локтя до дня пути. На Олимпийских играх античные спортсмены соревновались в беге на стадию — эта дистанция равнялась расстоянию, которое мог пройти человек спокойным шагом за время от появления первого луча при восходе солнца до момента, когда солнце показывалось на горизонте целиком. Ученые выяснили, что стадия соответствовала длине стадиона в Олимпии и составляла 192,27 м.
В Древнем Китае первые единицы измерения ввел император Хуан-ди — они происходили от длины частей тела. Японская система измерения была исторически аналогична китайской, были похожи даже иероглифы. Например, в практике акупунктуры сун определяется через длину средней фаланги указательного пальца, а сяку равнялся десятку сун или длине от локтя до сустава основной фаланги мизинца.
На Руси также мерилом являлось тело. Человек вытягивал руки в сторону — получалась сажень, делал шпагат пальцами, максимально отодвигая указательный от большого — получалась пядь, мерил локтем или аршином, то есть собственным шагом.
В США до сих пор используется единица измерения миля. Изначально она была введена в Древнем Риме и равнялась тысяче двойных шагов римских солдат в полном облачении на марше. Двойной шаг — это шаг левой ногой и шаг правой. С тех пор понятия о миле сильно разошлось в разных странах. Ее величина колебалась от 0,58 км в Египте до 11,3 км в старинной норвежской системе измерения. К XIII веку в Европе совсем запутались: там существовало 46 единиц измерения, называвшихся милями. Метрическая система была принята в 1875 году в Париже, но в трех странах до сих пор в ходу мили: кроме США древних единиц измерения придерживаются Либерия и Мьянма.
Конечно, до метрической системы встречались и другие способы измерения расстояний. Например, моряк мог измерить путь трубкой — расстоянием, которое пройдет корабль за время, пока он покурит. В Японии извозчик поглядывал на лошадиное копыто и отмечал для себя расстояние, которое проходит конь, пока не износится его соломенная подошва, заменявшая подкову. Многие народы замеряли путь по дальности полета стрелы. А в Сибири в ходу была мера длины бука — это такое расстояние, на котором рога быка сливаются в единое целое. Но все это были ненадежные и неточные способы, и даже древние люди чувствовали, что им нужен измерительный прибор, который послужит эталоном.
Первые измерительные инструменты
Локти и шаги у всех разные, как и зрение, позволяющее видеть уходящего вдаль быка. Поэтому в ход пошли палки, шесты и посохи нужной длины. Первые упоминания о таком инструменте есть в Библии в Книге пророка Иезекииля. «В руке того мужа трость измерения в шесть локтей, считая каждый локоть в локоть с ладонью», — говорится в тексте, а сам девайс именуется жезлом Иезекииля.
Другой древнейший измерительный инструмент можно увидеть на памятниках Египта эпохи фараонов: наместники зачастую изображены с мерным шнуром — средством распределения земельных наделов, которое быстро стало одним из символов их власти.
В Древней Греции и Риме, кроме шнуров и шестов, применялись мерные цепи, линейка, циркуль и некоторые другие геодезические приборы. Греческий механик и математик Герон Александрийский, живший в I веке н. э., описывал изготовление измерительных веревок так: намоченную веревку растягивали между двумя колами и высушивали несколько раз, затем натирали воском и смолой. Полученная измерительная веревка, по словам Герона, не отличалась по длине от надежных, но дорогих и тяжелых мерных цепей, более чем на 1:2000 (1 см на 20 м). Веревка была размечена на отрезки и имела в определенных местах узлы, нужные для построения прямых углов на местности.
Такой измерительный инструмент использовался в разных странах в течение тысячелетий. В Китае еще в XI–XX веках до н. э. производились измерения «всей земли» с применением мерных цепей. Во многих странах землемеров и межевщиков называли «натягивающими веревки». В Египте это были гарпедонапты, что означает «протягивающие, закрепляющие веревку», в Риме — агрименсоры, в России — веревщики. В коллекции Политехнического музея хранится землемерная цепь, изготовленная в России в XVIII — первой половине XIX века. Сегодня усовершенствованные мерные шнуры по-прежнему в ходу: это обычные строительные рулетки.
Древние люди умудрялись измерять расстояния до удаленных объектов косвенными способами. Например, древнегреческий математик Фалес еще в VI веке до н. э. определял высоту предмета по его тени. В частности, он измерил высоту пирамиды, заметив, что длина ее тени находится в таком же отношении к длине тени вертикального шеста, как их высоты. Свои наблюдения он вел в момент, когда тень человека имела ту же длину, что и он сам.
Археологи раскопали богатую коллекцию древних измерительных приборов. Самый старый сохранившийся измерительный медный стержень датируется 2650 годом до н. э., он был найден немецким ассириологом Экхардом Унгером при раскопках в Ниппуре — священном городе и религиозном центре Шумера в Южной Месопотамии (современный Ирак). Раскопки показали, что цивилизация долины Инда использовала линейки из слоновой кости еще до 1500 года до н. э. Одна из таких линеек была найдена в Лотале и, по мнению археологов, соответствует размерам древних кирпичей, обнаруженных по всему региону. Ее предполагаемая длина — 33,4 мм, деления отстоят друг от друга на 1,6 мм. Пройдет много веков, прежде чем пользоваться линейкой смогут все. Первая метрическая линейка, похожая на современные, появилась во Франции после французской революции.
Метрическая система
По мере развития торговли людям из разных стран пришлось унифицировать свои системы измерения. В XIV–XVI веках они пытались найти общие единицы для измерения, ища эталон в сфере своих интересов. Вошли в употребление, например, дюйм как длина трех приставленных друг к другу ячменных зерен, фут как ширина 64 ячменных зерен, положенных бок о бок. Петр I пытался соотнести русские меры длины с западными, чтобы положить конец разночтениям. Однако различия в измерениях сохранялись вплоть до создания новой системы единиц во Франции в конце XVIII века. Метрическая конвенция была подписана 20 мая 1875 года, со временем к ней присоединились практически все страны мира.
Эволюция метра
Любопытно, что представления о метре менялись с течением времени. В 1668 году британский священник Джон Уилкинс предложил выбрать для единицы длины длину маятника с полупериодом колебания, равным 1 секунде. К этому времени голландец Христиан Гюйгенс уже разработал часовой маятник, и его длина была поразительно близка к длине современного метра. Однако вскоре оказалось, что длина, измеренная таким способом, различается в зависимости от места измерений. В частности, в Южной Америке наблюдалось увеличение периода колебаний относительно Парижа — это обнаружил французский астроном Жан Рише во время экспедиции.
Французская академия наук отвергла идею с маятником и решила, что новая единица измерения должна быть равна одной десятимиллионной расстояния от Северного полюса до экватора (четверть земной окружности), измеренного вдоль меридиана, проходящего через Париж. Идея привязать единицу измерения длины к меридиану Земли не была новой, этим же образом ранее были определены морская миля и лье. Решение о «метре подлинном и окончательном» было принято властью в 1795 году, и в том же году был изготовлен прототип эталона метра из латуни.
В 1799 году был изготовлен платиновый эталон метра, длина которого соответствовала одной сорокамиллионной части Парижского меридиана. В 1889 году он был заменен на более точный из сплава платины и иридия (90% и 10%) с поперечным сечением в виде буквы X. Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины. Эталон находится в Международном бюро мер и весов в предместье Парижа, где хранятся и другие эталоны международных единиц измерения.
В 1960 году было принято решение, что метр не будет привязан к изготовленному людьми предмету. До 1983 года метр определялся как число 1 650 763,73, умноженное на длину волны оранжевой линии (6 056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона 86Kr в вакууме. С 1983 года и по сегодняшний день метр определяется как длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунд.