Geschichte des metrischen Systems - History of the metric system

Länder, die ab 2019 die metrischen , imperialen und US-amerikanischen Systeme verwenden.

Die Geschichte des metrischen Systems begann im Zeitalter der Aufklärung mit Maßen für Länge und Gewicht, die aus der Natur abgeleitet wurden , zusammen mit ihren dezimalen Vielfachen und Brüchen. Das System wurde innerhalb eines halben Jahrhunderts zum Standard in Frankreich und Europa. Weitere Maße mit Eins-Verhältnissen wurden hinzugefügt und das System wurde weltweit übernommen.

Die erste praktische Umsetzung des metrischen Systems erfolgte 1799 während der Französischen Revolution , nachdem das bisherige Maßsystem für den Handel nicht mehr praktikabel war und durch ein Dezimalsystem basierend auf Kilogramm und Meter ersetzt wurde . Die Grundeinheiten wurden der Natur entnommen. Die Längeneinheit, der Zähler, wurde auf den Abmessungen der auf Basis der Erde , und die Einheit der Masse , das Kilogramm, wurde auf der Masse ein basierend Volumen von Wasser von einem Liter (a cubic Dezimeter ). Referenzexemplare für beide Einheiten wurden in Platin hergestellt und blieben für die nächsten 90 Jahre der Maßstab. Nach einer Zeit der Rückkehr zu den mesures usuelles aufgrund der Unbeliebtheit des metrischen Systems war die Metrikation Frankreichs und eines Großteils Europas in den 1850er Jahren abgeschlossen.

Mitte des 19. Jahrhunderts konzipierte James Clerk Maxwell ein kohärentes System, bei dem eine kleine Anzahl von Maßeinheiten als Basiseinheiten definiert wurden und alle anderen Maßeinheiten, abgeleitete Einheiten genannt , in Bezug auf die Basiseinheiten definiert wurden. Maxwell schlug drei Basiseinheiten für Länge, Masse und Zeit vor. Fortschritte im Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert erforderten die Definition zusätzlicher Einheiten, und es kamen mehrere inkompatible Systeme solcher Einheiten zum Einsatz; keine konnte mit dem bestehenden Dimensionssystem in Einklang gebracht werden. Die Sackgasse wurde von Giovanni Giorgi gelöst , der 1901 bewies, dass ein kohärentes System mit elektromagnetischen Einheiten eine vierte Basiseinheit des Elektromagnetismus erfordert.

Der bahnbrechende Vertrag über das Meter von 1875 führte zur Gestaltung und Verteilung von Meter- und Kilogramm-Artefakten, den Standards des zukünftigen kohärenten Systems, das zur SI wurde, und zur Schaffung einer internationalen Organisation Conférence générale des poids et mesures oder CGPM zur Überwachung der Systeme von darauf basierende Gewichte und Maße.

1960 führte die CGPM das Internationale Einheitensystem (auf Französisch Système international d'unités oder SI) mit sechs "Basiseinheiten" ein: Meter, Kilogramm, Sekunde , Ampere , Grad Kelvin (später in "Kelvin" umbenannt) und Candela , plus 16 weitere Einheiten, die von den Basiseinheiten abgeleitet sind. Eine siebte Basiseinheit, der Maulwurf , und sechs andere abgeleitete Einheiten wurden später im 20. Jahrhundert hinzugefügt. Während dieser Zeit wurde das Messgerät in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit neu definiert und die zweite wurde auf der Grundlage der Mikrowelle neu definiert Frequenz eines Cäsium - Atomuhr .

Aufgrund der Instabilität des internationalen Prototyps des Kilogramms , wurde eine Reihe von Initiativen ergriffen, im späten 20. Jahrhundert beginnend, das Ampere, Kilogramm, Mol und Kelvin in Bezug auf den unveränderlichen neu zu definieren Konstanten der Physik , letztlich in der resultierenden 2019 Neudefinition der SI-Basiseinheiten , wodurch schließlich jegliche physikalische Referenzartefakte überflüssig wurden - vor allem ermöglichte dies die Absetzung des Standard-Kilogramms.

Zeitalter der Erleuchtung

Grundlegende Aspekte der Mathematik, zusammen mit einem verbesserten Verständnis der natürlichen Welt während der Aufklärung, bereiteten den Weg für die Entstehung eines Maßsystems mit rational zusammengehörigen Einheiten und Regeln zu ihrer Kombination im späten 18. Jahrhundert.

Präambel

Im frühen neunten Jahrhundert, als ein Großteil dessen, was später Frankreich wurde, Teil des Heiligen Römischen Reiches war , wurden die Maßeinheiten von Kaiser Karl dem Großen standardisiert . Er hatte in seinem ganzen Reich Standardmaßeinheiten für Länge und Masse eingeführt. Als das Imperium in einzelne Nationen, einschließlich Frankreichs, zerfiel, wichen diese Standards voneinander ab. In England hatte die Magna Carta (1215) festgelegt: „Es soll im ganzen Königreich Standardmaße für Wein, Ale und Mais (das Londoner Viertel) geben. nämlich zwei Ellen innerhalb der Webkanten. Die Gewichte sind ähnlich zu standardisieren."

Während des frühen Mittelalter , römische Zahlen wurden in Europa verwendeten Zahlen darzustellen, aber die Araber vertreten Zahlen , die die Verwendung von Hindu-Zahlensystem , eine Stellenschreibweise , die zehn Symbole verwendet. Um 1202 veröffentlichte Fibonacci sein Buch Liber Abaci (Buch der Berechnung), das das Konzept der Positionsnotation in Europa einführte. Diese Symbole entwickelten sich zu den Ziffern "0", "1", "2" usw. Zu dieser Zeit gab es Streit um den Unterschied zwischen rationalen Zahlen und irrationalen Zahlen, und die Darstellung von Dezimalbrüchen war nicht einheitlich.

Simon Stevin wird die Einführung des Dezimalsystems in den allgemeinen Gebrauch in Europa zugeschrieben. Im Jahr 1586 veröffentlichte er eine kleine Broschüre mit dem Titel De Thiende ("der Zehnte"), die von Historikern als Grundlage der modernen Notation für Dezimalbrüche angesehen wird. Stevin hielt diese Neuerung für so bedeutsam, dass er die universelle Einführung von dezimalen Münzen, Maßen und Gewichten lediglich für eine Frage der Zeit erklärte.

Körpermaße und Artefakte

Seit Karl dem Großen war das Längenmaß ein Maß für den Körper, das von Fingerspitze zu Fingerspitze der ausgestreckten Arme eines großen Mannes, aus einer Familie von Körpermaßen namens Klafter , die ursprünglich unter anderem verwendet wurden, um die Tiefe zu messen aus Wasser. Ein Artefakt, das die Standarte repräsentieren sollte, wurde aus dem haltbarsten Material des Mittelalters, einer Eisenstange, gegossen. Die Probleme eines nicht reproduzierbaren Artefakts zeigten sich im Laufe der Zeit: Es rostete, wurde gestohlen, bis zum Verbiegen in eine verzapfte Wand geschlagen und ging manchmal verloren. Wenn eine neue königliche Standarte gegossen werden musste, war diese eine andere als die alte, so dass Nachbildungen der alten und neuen Standarten entstanden und verwendet wurden. Das Artefakt durch das 18. Jahrhundert existierte, und wurde genannt teise oder später eine toise (aus dem Lateinischen angespannt : ausgestreckt (Arme)). Dies würde im 18. Jahrhundert zu einer Suche nach einem reproduzierbaren Standard führen, der auf einem unveränderlichen Maß der natürlichen Welt basiert.

Uhren und Pendel

1656 erfand der niederländische Wissenschaftler Christiaan Huygens die Pendeluhr, deren Pendel die Sekunden anzeigt. Dies führte zu Vorschlägen, seine Länge als Standardeinheit zu verwenden. Es zeigte sich jedoch, dass die Pendellängen von kalibrierten Uhren an verschiedenen Orten variierten (aufgrund lokaler Schwankungen der Erdbeschleunigung ), und dies war keine gute Lösung. Es brauchte einen einheitlicheren Standard.

Im Jahr 1670 veröffentlichte Gabriel Mouton , ein französischer Abt und Astronom, das Buch Observationes diametrorum solis et lunae scheinbarium ("Beobachtungen des scheinbaren Durchmessers von Sonne und Mond"), in dem er ein dezimales Längenmaßsystem für Wissenschaftler vorschlug in der internationalen Kommunikation, sich an den Dimensionen der Erde zu orientieren. Das Milliare würde als Bogenminute entlang eines Meridians definiert und in 10 Centurien, die Centurien in 10 Dekurien usw. unterteilt werden, wobei aufeinanderfolgende Einheiten Virga, Virgula, Dezima, Centesima und Millesima sind. Mouton verwendete Ricciolis Schätzung, dass ein Bogengrad 321.185 Bologneser Fuß beträgt, und seine eigenen Experimente zeigten, dass ein Pendel der Länge einer Virgula in einer halben Stunde 3959,2 Mal schlagen würde. Er glaubte, mit dieser Information könnten Wissenschaftler in einem fremden Land eine Kopie der Virgula für ihren eigenen Gebrauch konstruieren. Moutons Ideen stießen damals auf Interesse; Picard in seinem Werk Mesure de la Terre (1671) und Huygens in seinem Werk Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum ("Von oszillierenden Uhren oder über die Bewegung von Pendeln", 1673) schlagen beide vor, eine Standardlängeneinheit an die Schlagfrequenz eines Pendels.

Die Form und Größe der Erde

Mindestens seit dem Mittelalter wurde die Erde als ewig, unveränderlich und von symmetrischer Form (nahe einer Kugel) wahrgenommen, daher war es natürlich, dass ein Bruchteil ihrer Oberfläche als Längenmaßstab vorgeschlagen wurde. Doch zunächst mussten wissenschaftliche Erkenntnisse über Form und Größe der Erde gewonnen werden.

Im Jahr 1669 war Jean Picard , ein französischer Astronom, der erste Mensch, der die Erde genau vermaß. In einer Umfrage über einen Breitengrad irrte er sich nur um 0,44% ( Picardsche Bogenmessung ).

In Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1686) gab Isaac Newton eine theoretische Erklärung für den "wölbenden Äquator", die auch die Unterschiede in den Längen der "zweiten Pendel" erklärte, Theorien, die von der französischen Geodätischen Mission in Peru bestätigt wurden, die von der Französischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 1735.

Ende des 18. Jahrhunderts: Konflikt und Mattigkeit

James Watt , britischer Erfinder und Verfechter eines internationalen dezimalisierten Maßsystems

Mitte des 18. Jahrhunderts war klar geworden, dass es notwendig war, Gewichte und Maße zwischen Nationen zu vereinheitlichen, die miteinander Handel und wissenschaftliche Ideen austauschten. Spanien zum Beispiel hatte seine Maßeinheiten an die königlichen Einheiten Frankreichs angeglichen. und Peter der Große stimmte die russischen Maßeinheiten mit denen Englands ab. 1783 forderte der britische Erfinder James Watt , der Schwierigkeiten bei der Kommunikation mit deutschen Wissenschaftlern hatte, die Schaffung eines globalen Dezimalmesssystems und schlug ein System vor, das die Dichte von Wasser verwendet, um Länge und Masse zu verbinden, und 1788 der französische Chemiker Antoine Lavoisier gab für seine experimentellen Arbeiten einen Satz von neun Messingzylindern (ein [französisches] Pfund und dezimale Unterteilungen davon) in Auftrag.

Im Jahr 1790 wurde ein Vorschlag der Franzosen an Großbritannien und die Vereinigten Staaten, ein einheitliches Längenmaß festzulegen, einen Meter basierend auf der Periode eines Pendels mit einem Schlag von einer Sekunde, im britischen Parlament und im Kongress der Vereinigten Staaten abgelehnt . Das zugrunde liegende Problem war, dass man sich nicht auf den Breitengrad für die Definition einigen konnte, da die Gravitationsbeschleunigung und damit die Länge des Pendels (unter anderem) mit dem Breitengrad variiert: Jede Partei wollte eine Definition gemäß einem großen Breitengrad, der durch ihr eigenes Land verläuft. Die direkten Folgen des Scheiterns waren die einseitige Entwicklung und Einführung des metrischen Systems durch Frankreich und seine Verbreitung durch den Handel auf dem Kontinent; die britische Verabschiedung des Imperial System of Measures im gesamten Reich im Jahr 1824; und die Beibehaltung des britischen gemeinsamen Maßnahmensystems zur Zeit der Unabhängigkeit der Kolonien durch die Vereinigten Staaten. Dies war die Position, die fast die nächsten 200 Jahre anhielt.

Umsetzung im revolutionären Frankreich

Maße und Gewichte des Ancien Régime

Es wurde geschätzt, dass am Vorabend der Revolution im Jahr 1789 die etwa 800 in Frankreich verwendeten Maßeinheiten bis zu einer Viertelmillion unterschiedliche Definitionen hatten, da die mit jeder Einheit verbundene Menge von Stadt zu Stadt unterschiedlich sein konnte. und sogar von Handel zu Handel. Obwohl bestimmte Standards wie der pied du roi (der Fuß des Königs) eine gewisse Vorrangstellung hatten und von Wissenschaftlern verwendet wurden, entschieden sich viele Händler dafür, ihre eigenen Messgeräte zu verwenden, was Betrug ermöglichte und Handel und Industrie behinderte. Diese Variationen wurden durch lokale Eigeninteressen gefördert, behinderten jedoch den Handel und die Besteuerung.

Die Einheiten für Gewicht und Länge

Der Marquis de Condorcet – französischer Feuerbrand des 18. Jahrhunderts des metrischen Systems

1790 wurde von der Académie des sciences ein Gremium aus fünf führenden französischen Wissenschaftlern ernannt , um Gewichte und Maße zu untersuchen. Sie waren Jean-Charles de Borda , Joseph-Louis Lagrange , Pierre-Simon Laplace , Gaspard Monge und Nicolas de Condorcet . Im Laufe des folgenden Jahres die Platte nach verschiedenen Alternativen zu studieren, machte eine Reihe von Empfehlungen für ein neues System von Gewichten und Maßnahmen , einschließlich, dass es eine Dezimalzahl haben sollte Radix , dass die Längeneinheit auf einem Bruch Bogen eines beruhen sollte , Quadrant des Erdmeridians, und dass die Gewichtseinheit die eines Wasserwürfels sein sollte, dessen Dimension ein dezimaler Bruchteil der Längeneinheit war. Die Vorschläge wurden von der französischen Versammlung am 30. März 1791 angenommen.

Nach der Annahme wurde die Académie des sciences mit der Umsetzung der Vorschläge beauftragt. Die Académie teilte die Aufgaben in fünf Arbeitsgänge auf und ordnete jeden Teil einer eigenen Arbeitsgruppe zu :

  • Den Breitenunterschied zwischen Dünkirchen und Barcelona messen und zwischen ihnen triangulieren
  • Messung der Basislinien, die für die Umfrage verwendet wurden
  • Überprüfung der Länge des zweiten Pendels bei 45° Breite.
  • Überprüfung des Gewichts eines bestimmten Volumens destillierten Wassers im Vakuum.
  • Veröffentlichung von Umrechnungstabellen, die die neuen Maßeinheiten den vorhandenen Maßeinheiten zuordnen.

Das Gremium entschied, dass das neue Längenmaß einem Zehnmillionstel der Entfernung vom Nordpol zum Äquator ( Erdquadranten ) entsprechen sollte, gemessen entlang des Pariser Meridians .

Verwendung Jean Picard ‚s Erhebung von 1670 und Jacques Cassini ‘ s Befragung von 1718 ein vorläufiger Wert von 443,44 lignes wurde zum Zähler zugeordnet, der seinerseits die anderen Maßeinheiten definiert.

Während Méchain und Delambre ihre Vermessung abschlossen, hatte die Kommission die Anfertigung einer Reihe von Platinbarren auf der Grundlage des provisorischen Meters angeordnet. Wenn das Endergebnis bekannt war, wurde der Balken ausgewählt, dessen Länge der meridionalen Definition des Meters am nächsten war.

Nachdem 1792 der Name der ursprünglich definierten Masseneinheit " Gramm " übernommen wurde, der für viele Zwecke zu klein war, um als praktische Umsetzung zu dienen, wurde die neue Vorsilbe "Kilo" hinzugefügt, um den Namen " Kilogramm " zu bilden. . Folglich ist das Kilogramm die einzige SI-Basiseinheit , die ein SI-Präfix als Teil ihres Einheitennamens hat. Es wurde ein vorläufiges Kilogramm-Standard erstellt und Arbeiten zur Bestimmung der genauen Masse eines Kubikdezimeters (später als gleich einem Liter definiert ) Wasser in Auftrag gegeben. Die Regulierung von Handel und Gewerbe erforderte eine "praktische Umsetzung": ein eintausendfach massives, metallisches Referenznormal, das als Grab bezeichnet werden sollte . Diese von Lavoisier und René Just Haüy definierte Masseneinheit war seit 1793 in Gebrauch. Diese neue, praktische Umsetzung sollte schließlich zur Basiseinheit der Masse werden. Am 7. April 1795 wurde das Gramm , auf dem das Kilogramm basiert, festgelegt, dass es "dem absoluten Gewicht eines Volumens reinen Wassers gleich einem Hundertstel-Meter-Würfel und der Temperatur des schmelzenden Eises" entspricht ". Obwohl die Definition des Kilogramms Wasser bei 0 °C – einem sehr stabilen Temperaturpunkt – vorsah, wurde es durch die Temperatur ersetzt, bei der Wasser seine maximale Dichte erreicht. Diese Temperatur, etwa 4 °C, war nicht genau bekannt, aber einer der Vorteile der neuen Definition bestand darin, dass der genaue Celsius-Wert der Temperatur nicht wirklich wichtig war. Die endgültige Schlussfolgerung war, dass ein Kubikdezimeter Wasser bei seiner maximalen Dichte 99,92072% der Masse des vorläufigen Kilogramms entsprach.

Am 7. April 1795 wurde das metrische System im französischen Recht formell definiert. Es definiert sechs neue Dezimaleinheiten:

  • Der Meter für die Länge – definiert als ein Zehnmillionstel der Entfernung zwischen dem Nordpol und dem Äquator durch Paris
  • Das ist  (100 m 2 ) für die Fläche [Land]
  • Die Stère  (1 m 3 ) für das Brennholzvolumen
  • Der Liter  (1 dm 3 ) für Flüssigkeitsvolumen
  • Das Gramm , für Masse – definiert als die Masse von einem Kubikzentimeter Wasser
  • Der Franken als Währung.
Historische Anmerkung: Nur das hier definierte Meter und (Kilo-)Gramm wurden später Teil metrischer Systeme.

Dezimale Vielfache dieser Einheiten wurden durch griechische Präfixe definiert : Myria- (10.000), Kilo- (1000), Hecto- (100) und Deka- (10) und Submultiples wurden durch die lateinischen Präfixe definiert " Dezi- " (0,1), " Centi- " (0,01) und " Milli- " (0,001).

Die Definitionsentwürfe von 1795 ermöglichten die Erstellung provisorischer Kopien der Kilogramm und Meter.

Meridionalvermessung

Die nördlichen und südlichen Abschnitte der Meridianvermessung trafen sich in der Kathedrale von Rodez , die hier die Skyline von Rodez dominiert

Die auf zwei Jahre veranschlagte Vermessung des Meridianbogens oblag Pierre Méchain und Jean-Baptiste Delambre . Die Aufgabe dauerte schließlich mehr als sechs Jahre (1792–1798) mit Verzögerungen, die nicht nur durch unvorhergesehene technische Schwierigkeiten, sondern auch durch die turbulente Zeit nach der Revolution verursacht wurden. Abgesehen von den offensichtlich nationalistischen Überlegungen war der Pariser Meridian auch aus wissenschaftlich-praktischen Gründen eine gute Wahl: Ein Teil des Quadranten von Dünkirchen bis Barcelona (ca -Punkte auf Meereshöhe, und dieser Teil lag ungefähr in der Mitte des Quadranten, wo die Auswirkungen der Abplattung der Erde am stärksten erwartet wurden.

Das Projekt wurde in zwei Teile geteilt – den nördlichen Abschnitt von 742,7 km vom Belfried, Dünkirchen bis zur Kathedrale von Rodez , der von Delambre vermessen wurde, und den südlichen Abschnitt von 333,0 km von Rodez bis zur Festung Montjuïc , Barcelona, der von Méchain vermessen wurde.

Der Pariser Meridian, der durch das Pariser Observatorium ( Observatoire de Paris ) verläuft. Der Meter wurde entlang dieses Meridians anhand einer Vermessung definiert, die sich von Dünkirchen bis Barcelona erstreckte .

Delambre verwendete eine Basislinie von etwa 10 km Länge entlang einer geraden Straße in der Nähe von Melun . In einer sechswöchigen Operation wurde die Basislinie mit vier Platinstäben mit einer Länge von jeweils zwei Toisen (ca. 3,9 m) genau gemessen . Danach verwendete er, wo immer möglich, die Triangulationspunkte, die Cassini in seiner 1744-Vermessung Frankreichs verwendet hatte. Méchains Basislinie von ähnlicher Länge und ebenfalls auf einem geraden Straßenabschnitt befand sich in der Gegend von Perpignan . Obwohl der Sektor von Méchain halb so lang war wie Delambre, umfasste er die Pyrenäen und bisher nicht untersuchte Teile Spaniens. Nachdem die beiden Vermesser erfüllt, berechnet jede der Grundlinie der anderen , um ihre Ergebnisse zu überqueren zu überprüfen und sie dann das Messgerät als 443,296 neu berechnet  lignes , insbesondere kürzer als der 1795 vorläufige Wert von 443,44  lignes Am 15. November 1798 Delambre und Méchain nach Paris zurückgekehrt mit ihre Daten, nachdem sie die Umfrage abgeschlossen haben. Der Endwert des Meters wurde 1799 als berechneter Wert aus der Erhebung festgelegt.

Historische Anmerkung: Es wurde bald offensichtlich , dass Méchain und Delambres Ergebnis (443,296  lignes ) für die meridionale Definition des Meters etwas zu kurz war. Méchain hatte bei der Messung des Breitengrades von Barcelona einen kleinen Fehler gemacht, also maß er ihn erneut, hielt aber die zweite Messung geheim.

Das französische metrische System

Im Juni 1799 wurden Platin-Prototypen nach den gemessenen Mengen hergestellt, der Meter des Archives mit einer Länge von 443,296 Linien und das Kilogramm des Archives mit einem Gewicht von 18827,15 Grain des livre poids de marc definiert und eingetragen das französische Nationalarchiv. Im Dezember desselben Jahres wurde das darauf basierende metrische System von 1801 bis 1812 per Gesetz zum einzigen Maß- und Maßsystem in Frankreich.

Trotz des Gesetzes wendete die Bevölkerung weiterhin die alten Maßnahmen an. Im Jahr 1812 hob Napoleon das Gesetz auf und erließ ein sogenanntes mesures usuelles , das die Namen und Mengen der üblichen Maße wieder herstellte, aber als runde Vielfache der metrischen Einheiten neu definiert wurde, also war es eine Art Hybridsystem. Im Jahr 1837, nach dem Zusammenbruch des napoleonischen Reiches, führte die neue Versammlung das durch die Gesetze von 1795 und 1799 definierte metrische System wieder ein, das 1840 in Kraft trat. Die metrische Erfassung Frankreichs dauerte bis etwa 1858, bis sie abgeschlossen war. Einige der alten Einheitennamen, insbesondere das livre , ursprünglich eine von der römischen Waage (wie das englische Pfund ) abgeleitete Masseneinheit , die jetzt 500 Gramm bedeutet, werden heute noch verwendet.

Entwicklung nicht kohärenter metrischer Systeme

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts waren die Artefakte für Länge und Masse der französischen Akademie der Wissenschaften die einzigen entstehenden Einheiten des metrischen Systems, die in Form von formalen Standards definiert wurden . Andere darauf basierende Einheiten, mit Ausnahme des Liters, erwiesen sich als kurzlebig. Pendeluhren, die die Zeit in Sekunden anzeigen konnten, waren seit etwa 150 Jahren in Gebrauch, aber ihre Geometrien waren sowohl für die Breite als auch für die Höhe lokal, so dass es keinen Standard für die Zeitmessung gab. Auch eine Zeiteinheit war nicht als wesentliche Basiseinheit für die Ableitung von Dingen wie Kraft und Beschleunigung anerkannt worden. Einige Elektrizitätsmengen wie Ladung und Potenzial wurden identifiziert, aber Namen und Zusammenhänge der Einheiten waren noch nicht festgelegt. Es gab sowohl Fahrenheit (~1724) als auch Celsius (~1742) Temperaturskalen und verschiedene Instrumente zum Messen von Einheiten oder Graden davon. Das Basis- / abgeleitete Einheitenmodell war noch nicht ausgearbeitet, noch war bekannt, wie viele physikalische Größen miteinander in Beziehung stehen könnten.

Ein Modell miteinander verbundener Einheiten wurde erstmals 1861 von der British Association for the Advancement of Science (BAAS) vorgeschlagen, basierend auf den sogenannten "mechanischen" Einheiten (Länge, Masse und Zeit). Diese Grundlage ermöglichte in den folgenden Jahrzehnten die Korrelation von mechanischen , elektrischen und thermischen Einheiten.

Zeit

Im Jahr 1832 führte der deutsche Mathematiker Carl-Friedrich Gauß die ersten absoluten Messungen des Erdmagnetfeldes mit einem Dezimalsystem durch, das auf der Verwendung von Millimeter, Milligramm und Sekunde als Basiseinheit der Zeit beruhte. Gauß' Sekunde basierte auf astronomischen Beobachtungen der Erdrotation und war die sexagesimale Sekunde der Antike: eine Unterteilung des Sonnentages in zwei Zyklen von 12 Perioden, und jede Periode in 60 Intervalle unterteilt, und jedes Intervall so unterteilt wieder, so dass eine Sekunde 1/86.400 des Tages war. Damit wurde effektiv eine Zeitdimension als notwendiger Bestandteil jedes sinnvollen Maßsystems und die astronomische Sekunde als Basiseinheit etabliert.

Arbeit und Energie

Joulesche Apparatur zur Messung des mechanischen Wärmeäquivalents. Als das Gewicht fiel, wurde potentielle Energie auf das Wasser übertragen und es erwärmte es.

In einem Papier , im Jahr 1843 veröffentlicht wird , James Prescott Joule ein Mittel ersten demonstrierte die von Mess Energie zwischen verschiedenen Systemen übertragen , wenn die Arbeit dadurch erfolgen im Zusammenhang Nicolas Clément ‚s calorie , im Jahr 1824 als„die Wärmemenge definiert , die erforderlich die Temperatur von 1 zu erhöhen , kg Wasser von 0 bis 1 °C bei 1 Atmosphäre Druck" auf mechanische Arbeit . Energie wurde zum vereinheitlichenden Konzept der Wissenschaft des 19. Jahrhunderts , zunächst durch die Zusammenführung von Thermodynamik und Mechanik und später durch die Hinzufügung der Elektrotechnik .

Das erste strukturierte metrische System: CGS

Im Jahr 1861 wurde ein Komitee der British Association for the Advancement of Science (BAAS), zu dem William Thomson (später Lord Kelvin) , James Clerk Maxwell und James Prescott Joule gehörten, mit der Untersuchung der "Standards of Electrical Resistance" beauftragt. In ihrem ersten Bericht (1862) legten sie die Grundregeln für ihre Arbeit fest – das metrische System sollte verwendet werden, Maßeinheiten für elektrische Energie müssen die gleichen Einheiten haben wie Maßeinheiten für mechanische Energie und es müssen zwei Sätze elektromagnetischer Einheiten abgeleitet werden – ein elektromagnetisches System und ein elektrostatisches System. Im zweiten Bericht (1863) führten sie das Konzept eines kohärenten Einheitensystems ein, bei dem Längen-, Masse- und Zeiteinheiten als "Grundeinheiten" (jetzt bekannt als Basiseinheiten ) identifiziert wurden . Alle anderen Maßeinheiten könnten von diesen Basiseinheiten abgeleitet werden (daher abgeleitete Einheiten ). Als Basiseinheiten wurden Meter, Gramm und Sekunde gewählt.

Im Jahr 1861 schlugen Charles Bright und Latimer Clark vor einer Sitzung der BAAS zu Ehren von Georg Ohm , Alessandro Volta und Michael Faraday die Namen Ohm , Volt und Farad für die praktischen Einheiten vor, die auf dem CGS-Absolutsystem basieren. Dies wurde von Thomson (Lord Kelvin) unterstützt. Das Konzept, Maßeinheiten nach namhaften Wissenschaftlern zu benennen, wurde später für andere Einheiten verwendet.

Im Jahr 1873 empfahl ein anderes Komitee der BAAS (zu dem auch Maxwell und Thomson gehörten), das mit der "Auswahl und Nomenklatur dynamischer und elektrischer Einheiten" beauftragt war, die Verwendung des cgs-Einheitensystems . Das Komitee empfahl auch die Namen „ dyne “ und „ erg “ für die cgs-Einheiten für Kraft und Energie. Das cgs-System wurde die Grundlage für die wissenschaftliche Arbeit der nächsten siebzig Jahre.

In den Berichten wurden zwei Zentimeter-Gramm-Sekunden-basierte Systeme für elektrische Einheiten anerkannt: das elektromagnetische (oder absolute) Einheitensystem (EMU) und das elektrostatische Einheitensystem (ESU).

Elektrische Einheiten

In diesem Abschnitt verwendete Symbole
Symbole Bedeutung
elektromagnetische und elektrostatische Kräfte
elektrische Ströme in Leitern
elektrische Ladungen
Leiterlänge
Abstand zwischen Ladungen/Leitern
elektrische Konstante
magnetische Konstante
Proportionalitätskonstanten
Lichtgeschwindigkeit
Steradiant um einen Punkt
elektrische Energie
elektrisches Potenzial
elektrischer Strom
Energie
elektrische Ladung
Abmessungen: Masse, Länge, Zeit

In den 1820er Jahren formulierte Georg Ohm das Ohmsche Gesetz , das erweitert werden kann, um Leistung mit Strom, elektrischem Potenzial (Spannung) und Widerstand in Beziehung zu setzen. In den folgenden Jahrzehnten war die Realisierung eines kohärenten Einheitensystems, das die Messung elektromagnetischer Phänomene und das Ohmsche Gesetz beinhaltete, mit Problemen behaftet – es wurden mehrere verschiedene Einheitensysteme entwickelt.

In den drei CGS-Systemen waren die Konstanten und und folglich und dimensionslos und erforderten daher keine Einheiten, um sie zu definieren.

Die elektrischen Maßeinheiten fügten sich nicht ohne weiteres in das zusammenhängende System mechanischer Einheiten des BAAS ein. Unter Verwendung der Dimensionsanalyse waren die Dimensionen der Spannung im ESU-System identisch mit den Dimensionen des Stroms im EMU-System, während der Widerstand im EMU-System Geschwindigkeitsdimensionen hatte, aber im ESU-System die Umkehrung der Geschwindigkeit.

Elektromagnetisches (absolutes) Einheitensystem (EMU)

Das elektromagnetische Einheitensystem (EMU) wurde aus der Entdeckung von André-Marie Ampère in den 1820er Jahren einer Beziehung zwischen den Strömen in zwei Leitern und der Kraft zwischen ihnen entwickelt, die heute als Ampere-Gesetz bekannt ist :

wo (SI-Einheiten)

1833 wies Gauß auf die Möglichkeit hin, diese Kraft mit ihrem mechanischen Äquivalent gleichzusetzen. Dieser Vorschlag wurde 1851 von Wilhelm Weber weiter unterstützt . In diesem System wird der Strom definiert, indem die magnetische Kraftkonstante auf Eins gesetzt wird, und das elektrische Potenzial wird so definiert, dass die durch die Beziehung berechnete Leistungseinheit ein erg/ Sekunde. Die elektromagnetischen Maßeinheiten wurden als Abampere, Abvolt usw. bezeichnet. Diese Einheiten wurden später für die Verwendung im Internationalen System skaliert.

Elektrostatisches Einheitensystem (ESU)

Das elektrostatische Einheitensystem (ESU) basiert auf Coulombs Quantifizierung der Kraft zwischen zwei geladenen Körpern im Jahr 1783. Diese Beziehung, die heute als Coulombsches Gesetz bekannt ist, kann geschrieben werden

wo (SI-Einheiten)

In diesem System wird die Einheit für die Ladung definiert, indem die Coulomb-Kraftkonstante ( ) auf Eins gesetzt wird, und die Einheit für das elektrische Potential wurde definiert, um sicherzustellen, dass die durch die Beziehung berechnete Energieeinheit ein erg ist. Die elektrostatischen Maßeinheiten waren Statampere, Statvolt usw.

Gaußsches Einheitensystem

Das Gaußsche Einheitensystem basierte auf Heinrich Hertz 'Erkenntnis bei der Überprüfung der Maxwell-Gleichungen im Jahr 1888, dass die elektromagnetischen und elektrostatischen Einheiten wie folgt zusammenhängen:

Unter Verwendung dieser Beziehung schlug er vor, die EMU- und die ESU-Systeme zu einem System zu verschmelzen, wobei die EMU-Einheiten für magnetische Größen (nachfolgend Gauss und Maxwell genannt ) und ESU-Einheiten an anderer Stelle verwendet wurden. Er nannte diese kombinierte Menge von Einheiten „ Gaußsche Einheiten “. Dieser Satz von Einheiten wurde als besonders nützlich in der theoretischen Physik erkannt.

Quad–Eleventhgram–Sekunde (QES) oder Internationales Einheitensystem

Die in der wissenschaftlichen Arbeit verwendeten CGS-Maßeinheiten waren für das Ingenieurwesen nicht praktikabel, was zur Entwicklung eines besser anwendbaren Systems elektrischer Einheiten insbesondere für die Telegrafie führte. Die Längeneinheit war 10 7 m (ungefähr die Länge des Erdquadranten), die Masseneinheit war eine unbenannte Einheit gleich 10 −11 g und die Zeiteinheit war die zweite. Die Einheiten von Masse und Länge wurden unpassend skaliert, um konsistentere und brauchbarere elektrische Einheiten in Bezug auf die mechanischen Maße zu erhalten. Informell als "praktisches" System bezeichnet, wurde es gemäß der Konvention korrekt als Quad-Eleventhgram-Second (QES)-Einheitensystem bezeichnet.

Die Definitionen der elektrischen Einheiten beinhalteten die magnetische Konstante wie das EMU-System, und die Namen der Einheiten wurden von diesem System übernommen, jedoch entsprechend den definierten mechanischen Einheiten skaliert. Das System wurde als das formalisierte Internationale System spät im 19. Jahrhundert und seine Anteile später die „internationalen Ampere“ bezeichnet, „international Volt“ usw.

Heaviside-Lorentz-Einheitensystem

Der Faktor , der in den Maxwell-Gleichungen im Gaußschen System (und den anderen CGS-Systemen) auftritt, hängt damit zusammen, dass Steradiant-Elemente einen Punkt umgeben, wie z. B. eine punktförmige elektrische Ladung. Dieser Faktor könnte aus Kontexten eliminiert werden, die keine Kugelkoordinaten beinhalten, indem man den Faktor in die Definitionen der beteiligten Größen einbezieht. Das System wurde 1883 von Oliver Heaviside vorgeschlagen und ist auch als "rationalisiertes Gaußsches Einheitensystem" bekannt. Die SI übernahm später rationalisierte Einheiten nach dem Gaußschen Rationalisierungsschema.

Thermodynamik

Maxwell und Boltzmann hatten Theorien aufgestellt, die die Wechselbeziehung zwischen Temperatur, Druck und Volumen eines Gases im mikroskopischen Maßstab beschreiben, aber ansonsten gab es 1900 kein Verständnis der mikroskopischen Natur der Temperatur.

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts waren die grundlegenden makroskopischen Gesetze der Thermodynamik formuliert, und obwohl es Techniken zur Messung der Temperatur mit empirischen Techniken gab, war das wissenschaftliche Verständnis der Natur der Temperatur minimal.

Konvention des Zählers

Mit zunehmender internationaler Akzeptanz des Meters wurden die Mängel des Mètre des Archives als Standard immer deutlicher. Länder, die das Meter als gesetzliches Maß einführten, kauften Standardmeterstäbe, die in der Länge dem Meter des Archives entsprechen sollten , aber es gab keine systematische Möglichkeit, sicherzustellen, dass die Länder tatsächlich nach dem gleichen Standard arbeiteten. Die meridionale Definition, die die internationale Reproduzierbarkeit sicherstellen sollte, erwies sich schnell als so unpraktisch, dass sie zugunsten der Artefaktstandards fast aufgegeben wurde, aber das Mètre des Archives (und die meisten seiner Kopien) waren "Endstandards": solche Standards (Stangen, die genau einen Meter lang sind) sind anfällig für den Verschleiß, und verschiedene Standard-Stangen können unterschiedlich schnell verschleißen.

1867 wurde vorgeschlagen, ein neues internationales Standardmeter zu schaffen, und die Länge wurde als die des mètre des Archives "in dem Zustand, in dem es gefunden werden soll", angenommen. Die Internationale Konferenz für Geodäsie im Jahr 1867 forderte die Schaffung eines neuen internationalen Prototyps des Messgeräts und eines Systems, mit dem nationale Standards damit verglichen werden könnten. Der internationale Prototyp wäre auch ein "Liniennormal", dh der Meter wurde als der Abstand zwischen zwei auf dem Balken markierten Linien definiert, um die Verschleißprobleme von Endnormalen zu vermeiden. Die französische Regierung unterstützte praktisch die Schaffung einer Internationalen Meterkommission, die 1870 und 1872 in Paris unter Beteiligung von etwa dreißig Ländern tagte.

Am 20. Mai 1875 wurde ein internationaler Vertrag, der als Convention du Mètre (Metre-Konvention) bekannt ist, von 17 Staaten unterzeichnet. Mit diesem Vertrag wurden folgende Organisationen gegründet, um internationale Aktivitäten im Zusammenhang mit einem einheitlichen Messsystem durchzuführen:

  • Conférence générale des poids et mesures (CGPM oder Generalkonferenz für Maß und Gewicht), eine zwischenstaatliche Konferenz offizieller Delegierter der Mitgliedsstaaten und oberste Autorität für alle Aktionen;
  • Comité international des poids et mesures (CIPM oder Internationales Komitee für Maß und Gewicht), bestehend aus ausgewählten Wissenschaftlern und Metrologen , das die Entscheidungen der CGPM vorbereitet und ausführt und für die Aufsicht über das Internationale Büro für Maß und Gewicht verantwortlich ist;
  • Bureau international des poids et mesures (BIPM oder International Bureau of Weights and Measures), ein ständiges Labor und Weltzentrum der wissenschaftlichen Metrologie, dessen Aktivitäten die Aufstellung der grundlegenden Standards und Skalen der wichtigsten physikalischen Größen, die Pflege der internationalen Prototypennormen und Überwachung regelmäßiger Vergleiche zwischen dem internationalen Prototypen und den verschiedenen nationalen Normen.

Der internationale Prototyp des Meters und der internationale Prototyp des Kilogramms wurden beide aus einer 90 %  Platin , 10 %  Iridiumlegierung hergestellt, die außergewöhnlich hart ist und gute elektrische und thermische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist. Der Prototyp hatte einen speziellen X-förmigen ( Tresca ) Querschnitt, um die Auswirkungen von Torsionsdehnungen bei Längenvergleichen zu minimieren. und das Prototyp-Kilogramm hatte eine zylindrische Form. Die Londoner Firma Johnson Matthey lieferte 30 Prototyp-Meter und 40 Prototyp-Kilogramm. Beim ersten Treffen der CGPM im Jahr 1889 wurden Bar Nr. 6 und Zylinder Nr. X als internationale Prototypen akzeptiert. Der Rest wurde entweder als BIPM-Arbeitskopie aufbewahrt oder als nationale Prototypen an die Mitgliedstaaten verteilt.

Nach der Meterkonvention hielt das BIPM 1889 zwei Artefakte – eines zur Definition der Länge und eines zur Definition der Masse. Andere Maßeinheiten, die nicht auf bestimmten Artefakten beruhten, wurden von anderen Stellen kontrolliert.

Obwohl die Definition des Kilogramms während des 20. Jahrhunderts unverändert blieb, stellte die 3. CGPM von 1901 klar, dass das Kilogramm eine Masseneinheit und keine Gewichtseinheit ist . Die ursprüngliche Charge von 40 Prototypen (1889 angenommen) wurde von Zeit zu Zeit durch weitere Prototypen für die Verwendung durch neue Unterzeichner der Meterkonvention ergänzt .

1921 wurde der Metervertrag auf elektrische Einheiten ausgedehnt, wobei die CGPM ihre Arbeit mit der der IEC zusammenlegte.

Messsysteme vor dem 2. Weltkrieg

Nationaler US-Prototyp des Meters, der die Balkennummer (#27), den Tresca-Querschnitt und eine der Linien zeigt

Die Messgeschichte des 20. Jahrhunderts ist von fünf Perioden geprägt: der Definition des kohärenten MKS-Systems von 1901; das zwischenzeitliche 50-jährige Zusammenleben von MKS, cgs und gemeinsamen Maßnahmensystemen; der Prototyp des praktischen Einheitensystems von 1948 des SI; die Einführung der SI im Jahr 1960; und die Entwicklung der SI in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts.

Ein stimmiges System

Die Notwendigkeit einer unabhängigen elektromagnetischen Dimension, um die Schwierigkeiten bei der Definition solcher Einheiten in Bezug auf Länge, Masse und Zeit zu lösen, wurde 1901 von Giorgi erkannt . Dies führte dazu, dass Giorgi im Oktober 1901 dem Kongress der Associazione Elettrotecnica Italiana ( AEI), in dem er zeigte, dass ein kohärentes elektromechanisches Einheitensystem durch Hinzufügen einer vierten Basiseinheit elektrischer Natur (zB Ampere, Volt oder Ohm) zu den drei im BAAS-Bericht von 1861 vorgeschlagenen Basiseinheiten erhalten werden kann. Damit erhielten die Konstanten k e und k m physikalische Dimensionen und damit auch die elektromechanischen Größen ε 0 (Permittivität des Freiraums) und μ 0 (Permeabilität des Freiraums). Seine Arbeit erkannte auch die Bedeutung der Energie für die Aufstellung eines zusammenhängenden, rationalen Einheitensystems, wobei das Joule als Energieeinheit gilt und die elektrischen Einheiten im Internationalen Einheitensystem unverändert bleiben. Es dauerte jedoch mehr als dreißig Jahre, bis Giorgis Arbeit von der IEC in der Praxis akzeptiert wurde.

Messsysteme im Industriezeitalter

Vier moderne Messgeräte in Haushaltsqualität mit metrischen Kalibrierungen – ein in Zentimeter kalibriertes Maßband , ein in Grad Celsius kalibriertes Thermometer , ein Kilogrammgewicht (Masse) und ein elektrisches Multimeter, das Volt , Ampere und Ohm misst

Als sich die Industrie auf der ganzen Welt entwickelte, blieb das cgs-Einheitensystem, wie es 1873 von der British Association for the Advancement of Science übernommen wurde, mit seiner Fülle von elektrischen Einheiten das vorherrschende Maßsystem und blieb dies mindestens für die nächsten 60 Jahre . Es gab mehrere Vorteile: Es verfügte über einen umfassenden Satz abgeleiteter Einheiten, die zwar nicht ganz kohärent, aber zumindest homolog waren; dem MKS-System fehlte überhaupt eine definierte Einheit des Elektromagnetismus; die MKS-Einheiten waren für die Wissenschaften unbequem groß; übliche Maßsysteme herrschten in den Vereinigten Staaten, Großbritannien und dem britischen Empire und teilweise sogar in Frankreich, dem Geburtsort des metrischen Systems, das die Annahme jedes konkurrierenden Systems verhinderte. Schließlich hemmten Krieg, Nationalismus und andere politische Kräfte die Entwicklung der Wissenschaft und begünstigten ein kohärentes Einheitensystem.

Auf der 8. CGPM 1933 wurde die Notwendigkeit erhoben, die "internationalen" elektrischen Einheiten durch "absolute" Einheiten zu ersetzen. Der Vorschlag der IEC, das „System“ von Giorgi, informell als MKSX bezeichnet, zu übernehmen, wurde angenommen, aber es wurde keine Entscheidung getroffen, welche elektrische Einheit die vierte Basiseinheit sein sollte. 1935 schlug JE Sears vor, dass dies das Ampere sein sollte, aber der Zweite Weltkrieg verhinderte, dass dies bis 1946 formalisiert wurde. Der erste (und einzige) Folgevergleich der nationalen Standards mit dem internationalen Prototyp des Zählers wurde zwischen 1921 durchgeführt und 1936, und zeigte an, dass die Definition des Meters innerhalb von 0,2 µm beibehalten wurde. Während dieses Folgevergleichs wurde die Art und Weise, wie der Prototyp des Meters gemessen werden sollte, klarer definiert – die Definition von 1889 hatte den Meter als die Länge des Prototyps bei der Temperatur des schmelzenden Eises definiert, aber 1927 wurde der 7. CGPM erweitert dieser Definition, um festzulegen, dass der Prototyp des Zählers „auf zwei Zylindern von mindestens einem Zentimeter Durchmesser getragen werden muss, die symmetrisch in derselben horizontalen Ebene in einem Abstand von 571 mm voneinander angeordnet sind“. Die Wahl von 571 mm repräsentiert die Airy-Punkte des Prototyps – die Punkte, an denen die Biegung oder das Durchhängen der Stange minimiert wird.

Arbeitsentwurf SI: Praktisches Einheitensystem

Die 9. CGPM trat 1948 zusammen, fünfzehn Jahre nach der 8. CGPM. Als Reaktion auf formelle Anfragen der International Union of Pure and Applied Physics und der französischen Regierung, ein praktisches Maßeinheitensystem zu schaffen, forderte die CGPM das CIPM auf, Empfehlungen für ein einziges praktisches Maßeinheitensystem auszuarbeiten, das für Übernahme durch alle Länder, die der Meterkonvention beitreten. Der Entwurfsvorschlag des CIPM war eine umfassende Überarbeitung und Vereinfachung der metrischen Einheitendefinitionen, Symbole und Terminologie basierend auf dem MKS-Einheitensystem.

Nach astronomischen Beobachtungen wurde die Sekunde als Bruchteil des Jahres 1900 angesetzt. Als Ampere wurde die von Giorgi geforderte elektromagnetische Basiseinheit akzeptiert. Nach Verhandlungen mit der GUS und der IUPAP wurden auch zwei weitere Einheiten, der Grad Kelvin und der Candela, als Basiseinheiten vorgeschlagen. Zum ersten Mal gab die CGPM Empfehlungen zu abgeleiteten Einheiten. Gleichzeitig verabschiedete die CGPM Konventionen für die Schrift und den Druck von Einheitenzeichen und Zahlen und katalogisierte die Symbole für die wichtigsten MKS- und CGS- Maßeinheiten.

Zeit

Bis zum Aufkommen der Atomuhr war die Erdrotation der zuverlässigste Zeitmesser, der der Menschheit zur Verfügung stand. Es war daher selbstverständlich, dass die Astronomen unter der Schirmherrschaft der Internationalen Astronomischen Union (IAU) die Führung bei der Einhaltung der Zeitstandards übernahmen. Im 20. Jahrhundert wurde deutlich, dass sich die Erdrotation verlangsamte, was dazu führte, dass die Tage jedes Jahrhundert um 1,4 Millisekunden länger wurden BC. 1956 beauftragte die 10. CGPM die CIPM, eine Definition der zweiten auszuarbeiten; 1958 wurde die Definition veröffentlicht, die besagte, dass die Sekunde (eine sogenannte Ephemeridensekunde ) durch Extrapolation unter Verwendung der Erdrotationsgeschwindigkeit im Jahr 1900 berechnet würde.

Elektrische Einheit

In Übereinstimmung mit den Vorschlägen von Giorgi von 1901 empfahl das CIPM auch, das Ampere als Basiseinheit zu verwenden, aus der elektromechanische Einheiten abgeleitet würden. Die zuvor verwendeten Definitionen für Ohm und Volt wurden verworfen und diese Einheiten wurden auf Ampere basierende abgeleitete Einheiten. 1946 nahm das CIPM offiziell eine Definition des Ampere auf der Grundlage der ursprünglichen EMU-Definition an und definierte den Ohm in Bezug auf andere Basiseinheiten neu. Die Definitionen für das absolute elektrische System auf der Grundlage des Ampere wurden 1948 formalisiert. Die im Entwurf vorgeschlagenen Einheiten mit diesen Namen sind den internationalen Einheiten sehr ähnlich, aber nicht identisch.

Temperatur

In der Celsius-Skala aus dem 18. Eine Reihe von Nachschlagetabellen definierte die Temperatur in Bezug auf miteinander verbundene empirische Messungen, die unter Verwendung verschiedener Geräte durchgeführt wurden. 1948 mussten die Temperaturdefinitionen geklärt werden. (Der Grad wurde als Winkelmaß für den allgemeinen Gebrauch in einer Reihe von Ländern angenommen, daher empfahl die General Conference on Weights and Measures (CGPM) 1948 , den Grad Celsius, wie er für die Temperaturmessung verwendet wird, in umzubenennen Grad Celsius .)

Am 9. CGPM wurde die Celsius-Temperaturskala in Celsius- Skala umbenannt und die Skala selbst wurde durch die Definition des Tripelpunkts von Wasser als 0,01 ° C festgelegt, obwohl die CGPM die formale Definition des absoluten Nullpunkts bis zum 10. CGPM beließ, als der Name " Kelvin “ wurde der absoluten Temperaturskala zugeordnet und der Tripelpunkt von Wasser mit 273,16 °K definiert.

Helligkeit

Vor 1937 erstellte die Internationale Beleuchtungskommission (CIE nach ihrem französischen Titel Commission Internationale de l'Eclairage) in Verbindung mit der CIPM einen Standard für die Lichtstärke, um die verschiedenen nationalen Standards zu ersetzen. Diese Norm, die Candela (cd), die definiert wurde als "die Helligkeit des vollen Strahlers bei der Erstarrungstemperatur von Platin beträgt 60 neue Kerzen pro Quadratzentimeter ", wurde 1948 von der CGPM ratifiziert.

Abgeleitete Einheiten

Die neu akzeptierte Definition des Ampere erlaubt praktische und nützliche kohärente Definitionen einer Reihe von elektromagnetisch abgeleiteten Einheiten, einschließlich Farad, Henry, Watt, Tesla, Weber, Volt, Ohm und Coulomb. Zwei abgeleitete Einheiten, Lux und Lumen, basierten auf dem neuen Candela und eine, Grad Celsius, entspricht dem Grad Kelvin. Fünf andere abgeleitete Einheiten vervollständigten den Entwurfsvorschlag: Radiant, Steradiant, Hertz, Joule und Newton.

Internationales Einheitensystem (SI)

1952 schlug die CIPM die Verwendung der Wellenlänge einer bestimmten Lichtquelle als Standard für die Definition der Länge vor, und 1960 akzeptierte die CGPM diesen Vorschlag unter Verwendung von Strahlung, die einem Übergang zwischen bestimmten Energieniveaus des Krypton-86-Atoms entspricht, als neuer Standard für die Meter. Das Standard-Meter-Artefakt wurde ausgemustert.

1960 wurden Giorgis Vorschläge als Grundlage für das Système International d'Unités (Internationales Einheitensystem), das SI, angenommen. Diese anfängliche Definition des SI umfasste sechs Basiseinheiten, Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Grad Kelvin und Candela sowie sechzehn kohärente abgeleitete Einheiten.

Evolution des modernen SI

Die Entwicklung des SI nach seiner Veröffentlichung im Jahr 1960 hat die Hinzufügung einer siebten Basiseinheit, dem Mol , und sechs weiteren abgeleiteten Einheiten, dem Pascal für Druck, dem Gray , Sievert und Becquerel für Strahlung, dem Siemens für die elektrische Leitfähigkeit und katal für katalytische (enzymatische) Aktivität. Mehrere Einheiten wurden auch in Bezug auf physikalische Konstanten neu definiert.

Neue Basis- und abgeleitete Einheiten

Im Laufe der folgenden Jahre entwickelte und pflegte das BIPM Kreuzkorrelationen, die verschiedene Messgeräte wie Thermoelemente, Lichtspektren und dergleichen mit den äquivalenten Temperaturen in Beziehung setzen.

Der Maulwurf war ursprünglich als Gramm-Atom oder Gramm-Molekül bekannt – die Menge eines Stoffes, gemessen in Gramm geteilt durch sein Atomgewicht . Ursprünglich hatten Chemiker und Physiker unterschiedliche Ansichten bezüglich der Definition des Atomgewichts – beide wiesen Sauerstoff einen Wert von 16  Atommasseneinheiten (amu) zu, aber Physiker definierten Sauerstoff in Bezug auf das 16 O-Isotop, während Chemiker 16 amu 16 O zuordneten , 17 O- und 18 O-Isotope mischen sich in dem Verhältnis, wie sie in der Natur vorkommen. Schließlich eine Vereinbarung zwischen der Internationalen Union für reine und angewandte Physik (IUPAP) und die Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) diese Dualität in 1959/60 zu einem Ende gebracht, die Vereinbarung beiden Parteien des Atomgewicht zu definieren 12 C als genau 12 Uhr sein. Diese Vereinbarung wurde von der ISO bestätigt und 1969 empfahl das CIPM ihre Aufnahme in SI als Basiseinheit. Dies geschah 1971 auf der 14. CGPM.

Beginn der Migration auf konstante Definitionen

Der zweite große Trend in der postmodernen SI war die Migration von Einheitendefinitionen in Bezug auf physikalische Naturkonstanten.

1967, am 13. CGPM, wurde der Grad Kelvin (°K) in "Kelvin" (K) umbenannt.

Astronomen des US Naval Observatory (USNO) und des National Physical Laboratory ermittelten einen Zusammenhang zwischen der Strahlungsfrequenz, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht, und der geschätzten Rotationsgeschwindigkeit der Erde in 1900. Ihre atomare Definition der zweiten wurde 1968 von der 13. CGPM angenommen.

1975, als das zweite als physikalisches Phänomen und nicht als Erdrotation definiert wurde, autorisierte die CGPM das CIPM, die Verwendung der Lichtgeschwindigkeit als Grundlage für die Definition des Meters zu untersuchen. Dieser Vorschlag wurde 1983 angenommen.

Die Candela-Definition erwies sich als schwierig umzusetzen, daher wurde die Definition 1979 überarbeitet und der Verweis auf die Strahlungsquelle durch die Definition der Candela in Bezug auf die Leistung einer bestimmten Frequenz von monochromatischem gelblich-grünem sichtbarem Licht ersetzt, die nahe an der Frequenz, bei der das menschliche Auge, wenn es an helle Bedingungen angepasst ist, die größte Empfindlichkeit aufweist.

Instabilität von Kilogramm-Artefakten

Massendrift über die Zeit der nationalen Prototypen K21–K40 sowie zwei der Schwesterexemplare des IPK : K32 und K8(41). Die oben genannten sind alle relativen Messungen; Es sind keine historischen Massenmessdaten verfügbar, um zu bestimmen, welcher der Prototypen im Vergleich zu einer Invariante der Natur am stabilsten war. Es besteht die eindeutige Möglichkeit, dass alle Prototypen über 100 Jahre an Masse gewonnen haben und dass K21, K35, K40 und das IPK einfach weniger als die anderen gewonnen haben.

Nachdem das Meter 1960 neu definiert wurde, blieb das Kilogramm die einzige SI-Basis, die durch ein physikalisches Artefakt definiert wurde. In den folgenden Jahren wurden die Definitionen der Basiseinheiten und insbesondere die Mise en Pratique zur Umsetzung dieser Definitionen verfeinert.

Die dritte periodische Rekalibrierung 1988–1989 ergab, dass die durchschnittliche Differenz zwischen dem IPK und der angepassten Baseline für die nationalen Prototypen 50 μg betrug – 1889 war die Baseline der nationalen Prototypen so angepasst worden, dass die Differenz null war. Da das IPK das massgebende Kilogramm ist, lässt sich nicht sagen, ob das IPK an Masse verloren hat oder die nationalen Prototypen an Masse zugenommen haben.

Im Laufe des Jahrhunderts wurden die verschiedenen nationalen Kilogrammprototypen gegen den internationalen Kilogrammprototyp (IPK) und damit gegeneinander rekalibriert. Die anfänglichen 1889-Startwert-Offsets der nationalen Prototypen relativ zum IPK wurden auf Null gesetzt, wobei alle nachfolgenden Massenänderungen relativ zum IPK waren.

Vorgeschlagener Ersatz für das IPK

Eine präzise gefertigte Siliziumkugel als Ersatz für das IPK

Für das IPK wurde eine Reihe von Ersetzungen vorgeschlagen.

Ab Anfang der 1990er Jahre arbeitete das Internationale Avogadro-Projekt daran, eine 1 Kilogramm schwere, 94 mm große Kugel aus einem einheitlichen Silizium-28-Kristall zu schaffen, mit der Absicht, das IPK durch ein physikalisches Objekt zu ersetzen, das von einer exakten genau reproduzierbaren Spezifikation. Aufgrund ihrer präzisen Konstruktion ist die Kugel des Avogadro-Projekts wahrscheinlich das präziseste kugelförmige Objekt, das je von Menschen geschaffen wurde.

Andere Gruppen arbeiteten an Konzepten wie der Schaffung einer Referenzmasse durch präzise galvanische Abscheidung von Gold- oder Wismutatomen oder der Definition des Kilogramms in Ampere, indem man es mit Kräften in Verbindung brachte, die durch elektromagnetische Abstoßung elektrischer Ströme erzeugt werden.

Schließlich wurde die Auswahl auf die Verwendung der Wattwaage und der Sphäre des Internationalen Avogadro-Projekts beschränkt.

Letztlich entschied man sich, keinen physikalischen Ersatz für das IPK zu schaffen, sondern alle SI-Einheiten durch die genaue Wertzuordnung einer Reihe von physikalischen Konstanten zu definieren, die zuvor im Sinne der früheren Einheitendefinitionen gemessen wurden.

Neudefinition in Bezug auf Fundamentalkonstanten

Das SI-System nach der Neudefinition 2019: Abhängigkeit der Basiseinheitendefinitionen von physikalischen Konstanten mit festen Zahlenwerten und anderen Basiseinheiten.

Auf ihrer 23. Sitzung (2007) beauftragte die CGPM die CIPM, die Verwendung von Naturkonstanten als Grundlage für alle Maßeinheiten anstelle der damals verwendeten Artefakte zu untersuchen.

Im folgenden Jahr wurde dies von der International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) bestätigt. Auf einer Sitzung der CCU in Reading, Großbritannien , im September 2010 wurden grundsätzlich eine Resolution und ein Änderungsentwurf zur SI-Broschüre vereinbart, die der nächsten Sitzung der CIPM im Oktober 2010 vorgelegt werden sollten. Die CIPM-Sitzung vom Oktober 2010 stellte fest, dass "die von der Generalkonferenz auf ihrer 23. Sitzung festgelegten Bedingungen noch nicht vollständig erfüllt sind. Aus diesem Grund schlägt die CIPM derzeit keine Revision der SI vor". Die CIPM hat jedoch auf der 24. CGPM (17.–21.10.2011) den Beschluss zur Prüfung vorgelegt, den neuen Definitionen grundsätzlich zuzustimmen, diese aber erst nach Klärung der Details umzusetzen.

Bei der Neudefinition wurden vier der sieben SI-Basiseinheiten – Kilogramm , Ampere , Kelvin und Mol – neu definiert, indem exakte Zahlenwerte für die Planck-Konstante ( h ), die elektrische Elementarladung ( e ), die Boltzmann-Konstante ( k B ) bzw. die Avogadro-Konstante ( N A ). Die Sekunde , Meter und Candela waren bereits durch physikalische Konstanten definiert und wurden einer Korrektur ihrer Definitionen unterzogen. Die neuen Definitionen zielten darauf ab, den SI zu verbessern, ohne den Wert einer Einheit zu ändern, um die Kontinuität mit bestehenden Messungen zu gewährleisten.

Dieser Beschluss wurde von der Konferenz angenommen, außerdem hat die CGPM den Termin der 25. Sitzung von 2015 auf 2014 verschoben. Bei der 25. Sitzung vom 18. bis 20. November 2014 wurde festgestellt, dass "trotz [Fortschritt bei den notwendigen die Daten scheinen noch nicht robust genug zu sein, damit die CGPM die überarbeitete SI auf ihrer 25.

Den Bedingungen entsprechende Messungen lagen 2017 vor und die Neudefinition wurde auf der 26. CGPM (13.-16 die langfristige.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links