Historia del metro

La historia del metro comienza con la revolución científica que se considera que comenzó con la publicación de Nicolaus Copernicus de De revolutionibus orbium coelestium en 1543. Se requerían medidas cada vez más precisas y los científicos buscaban medidas que fueran universales y pudieran basarse en fenómenos naturales en lugar de que real decreto o prototipos físicos. En lugar de los diversos sistemas complejos de subdivisión en uso, también prefirieron un sistema decimal para facilitar sus cálculos.

Con la Revolución Francesa (1789) surgió el deseo de reemplazar muchas características del Antiguo Régimen, incluidas las unidades de medida tradicionales. Como unidad base de longitud, muchos científicos habían favorecido el péndulo de segundos (un péndulo con un período medio de un segundo) un siglo antes, pero esto fue rechazado porque se descubrió que esta longitud variaba de un lugar a otro con la gravedad local., y que podría complementar las mediciones del arco meridiano para determinar la figura de la Tierra. Se introdujo una nueva unidad de longitud, el metro, definido como una diezmillonésima parte de la distancia más corta desde el Polo Norte hasta el ecuador que pasa por París, suponiendo un aplanamiento de la Tierra de 1/334.

Sin embargo, a efectos prácticos, el metro estándar se puso a disposición en forma de barra de platino en París. Este a su vez fue reemplazado en 1889 por iniciativa de la Asociación Geodésica Internacional por treinta barras de platino-iridio repartidas por todo el mundo. La comparación de los nuevos prototipos del medidor entre sí y con el medidor del Comité (en francés: Mètre des Archives) implicó el desarrollo de un equipo de medición especial y la definición de una escala de temperatura reproducible.El progreso de la ciencia finalmente permitió desmaterializar la definición del metro; así, en 1960, una nueva definición basada en un número específico de longitudes de onda de luz de una transición específica en krypton-86 permitió que el estándar estuviera disponible universalmente mediante medición. En 1983 se actualizó a una longitud definida en términos de la velocidad de la luz; esta definición se reformuló en 2019:El metro, de símbolo m, es la unidad de longitud del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la velocidad de la luz en el vacío c como299 792 458 cuando se expresa en la unidad m⋅s, donde el segundo se define en términos de la frecuencia de cesio Δ ν _Cs.

A mediados del siglo XIX, el metro ganó adopción en todo el mundo, particularmente en el uso científico, y fue establecido oficialmente como una unidad de medida internacional por la Convención del Metro de 1875. Donde todavía se usan medidas de longitud tradicionales más antiguas, ahora se definen en términos de la metro: por ejemplo, el patio se ha definido oficialmente desde 1959 como exactamente 0,9144 metros.

Medida universal

Las medidas estándar de longitud en Europa divergieron unas de otras después de la caída del Imperio carolingio (alrededor de 888): mientras que las medidas podían estandarizarse dentro de una jurisdicción determinada (que a menudo era poco más que una sola ciudad comercial), había numerosas variaciones de medir entre regiones. De hecho, como las medidas se usaban a menudo como base para la tributación (de la tela, por ejemplo), el uso de una medida en particular se asociaba con la soberanía de un gobernante determinado y, a menudo, lo dictaba la ley.

Sin embargo, con la creciente actividad científica del siglo XVII llegaron los llamados a la institución de una medida estándar o " metro cattolico " (como dijo el italiano Tito Livio Burattini), que se basaría en fenómenos naturales y no en decretos reales, y sería también decimal en lugar de usar los diversos sistemas de subdivisión, a menudo duodecimales, que coexistían en ese momento.

En 1645, Giovanni Battista Riccioli había sido el primero en determinar la longitud de un "péndulo de segundos" (un péndulo con un semiperíodo de un segundo). En 1671, Jean Picard midió la longitud de un "péndulo de segundos" en el Observatorio de París. Encontró el valor de 440,5 líneas del Toise de Châtelet que había sido renovado recientemente. Propuso una toesa universal (en francés: Toise universelle) que tenía el doble de la longitud del péndulo de los segundos. Sin embargo, pronto se descubrió que la longitud de un péndulo de segundos varía de un lugar a otro: el astrónomo francés Jean Richer había medido la diferencia de longitud del 0,3% entre Cayenne (en la Guayana Francesa) y París.

Jean Richer y Giovanni Domenico Cassini midieron la paralaje de Marte entre París y Cayena en la Guayana Francesa cuando Marte estaba en su punto más cercano a la Tierra en 1672. Llegaron a una cifra de paralaje solar de 9,5 segundos de arco, equivalente a una distancia Tierra-Sol de unos 22.000 radios terrestres. También fueron los primeros astrónomos en tener acceso a un valor preciso y confiable para el radio de la Tierra, que había sido medido por su colega Jean Picard en 1669 como 3269 mil toesas. Isaac Newton usó esta medida para establecer su ley de gravitación universal.Las observaciones geodésicas de Picard se habían limitado a la determinación de la magnitud de la tierra considerada como una esfera, pero el descubrimiento realizado por Jean Richer llamó la atención de los matemáticos hacia su desviación de una forma esférica. La determinación de la figura de la tierra se convirtió en un problema de la mayor importancia en astronomía, ya que el diámetro de la tierra era la unidad a la que debían referirse todas las distancias celestes.

La principal unidad de longitud francesa era la Toise de París, cuyo estándar era la Toise de Châtelet, que se fijó fuera del Grand Châtelet en París desde 1668 hasta 1776. En 1735, se calibraron dos estándares geodésicos contra la Toise de Châtelet. Uno de ellos, el Toise del Perú, fue utilizado para la Misión Geodésica Hispano-Francesa. En 1766, la Toise de Perú se convirtió en el estandarte oficial de la Toise en Francia y pasó a llamarse Toise de la Academia (en francés: Toise de l'Académie).

En su famosa obra Théorie de la figure de la terre, tirée des principes de l'hydrostatique('Teoría de la Figura de la Tierra, extraída de los Principios de la Hidrostática') publicado en 1743, Alexis Claude Clairaut sintetizó las relaciones existentes entre la gravedad y la forma de la Tierra. Clairaut expuso allí su teorema que establecía una relación entre la gravedad medida en distintas latitudes y el achatamiento de la Tierra considerada como un esferoide compuesto por capas concéntricas de densidades variables. Hacia fines del siglo XVIII, los geodestas buscaron conciliar los valores de aplanamiento extraídos de las medidas de los arcos de meridianos con los que proporcionaba el esferoide de Clairaut extraído de la medición de la gravedad. En 1789, Pierre-Simon de Laplace obtuvo mediante un cálculo teniendo en cuenta las medidas de los arcos de meridianos conocidos en la época un achatamiento de 1/279. La gravimetría le dio un aplanamiento de 1/359. Mientras tanto, Adrien-Marie Legendre encontró al mismo tiempo un aplanamiento de 1/305. La Comisión de Pesos y Medidas adoptaría en 1799 un aplanamiento de 1/334 combinando el arco de Perú y los datos del meridiano de Delambre y Méchain.

Los estudios geodésicos encontraron aplicaciones prácticas en la cartografía francesa y en el estudio anglo-francés, cuyo objetivo era conectar los observatorios de París y Greenwich y condujo a la triangulación principal de Gran Bretaña. La unidad de longitud utilizada por los franceses era la Toise de Paris, que se dividía en seis pies. La unidad inglesa de longitud era la yarda, que se convirtió en la unidad geodésica utilizada en el Imperio Británico.

A pesar de los avances científicos en el campo de la geodesia, se hicieron pocos avances prácticos hacia el establecimiento de la "medida universal" hasta la Revolución Francesa de 1789. Francia se vio particularmente afectada por la proliferación de medidas de longitud, y la necesidad de reforma fue ampliamente aceptada en todo el mundo. todos los puntos de vista políticos, incluso si necesitaba el impulso de la revolución para lograrlo. Talleyrand resucitó la idea del segundo péndulo ante la Asamblea Constituyente de 1790, sugiriendo que la nueva medida se definiera en 45°N (una latitud que, en Francia, se extiende justo al norte de Burdeos y justo al sur de Grenoble): a pesar del apoyo de la Asamblea, nada resultó de la propuesta de Talleyrand.

Definición Meridional

La cuestión de la reforma de la medición quedó en manos de la Academia de Ciencias, que nombró una comisión presidida por Jean-Charles de Borda. Borda era un ávido partidario de la decimalización: había inventado el "círculo repetitivo", un instrumento topográfico que permitía una precisión mucho mayor en la medición de ángulos entre puntos de referencia, pero insistía en que se calibrara en " grados " (¹ ⁄ ₁₀₀ de un cuarto de círculo) en lugar de grados, con 100 minutos para un grado y 100 segundos para un minuto.Borda consideró que el péndulo de segundos era una mala elección como estándar porque el segundo existente (como unidad de tiempo) no formaba parte del sistema decimal propuesto de medición del tiempo: un sistema de 10 horas al día, 100 minutos a la hora. y 100 segundos por minuto, introducido en 1793.

En lugar del método del péndulo de los segundos, la comisión, cuyos miembros incluían a Lagrange, Laplace, Monge y Condorcet, decidió que la nueva medida debería ser igual a una diezmillonésima parte de la distancia del Polo Norte al Ecuador (el cuadrante de la Tierra). circunferencia), medida a lo largo del meridiano que pasa por París. Además de la consideración obvia de acceso seguro para los topógrafos franceses, el meridiano de París también fue una buena elección por razones científicas: una parte del cuadrante de Dunkerque a Barcelona (alrededor de 1000 km, o una décima parte del total) podría medirse con puntos de inicio y fin al nivel del mar, y esa parte estaba aproximadamente en la mitad del cuadrante, donde se esperaba que los efectos del achatamiento de la Tierra fueran mayores.La misión geodésica hispano-francesa había confirmado que la aceleración de un cuerpo cerca de la superficie de la Tierra se debe a los efectos combinados de la gravedad y la aceleración centrífuga. De hecho, ahora sabemos que la aceleración resultante hacia el suelo es aproximadamente un 0,5 % mayor en los polos que en el ecuador. De ello se deduce que el diámetro polar de la Tierra es menor que su diámetro ecuatorial. La Academia de Ciencias planeó inferir el achatamiento de la Tierra tanto a partir de las diferencias de longitud entre las porciones meridionales correspondientes a un grado de latitud como de las variaciones de la aceleración gravitacional (ver el teorema de Clairaut). Jean-Baptiste Biot y François Arago publicaron en 1821 sus observaciones completando las de Delambre y Mechain. Era una cuenta de la longitud' s variación de los grados de latitud a lo largo del meridiano de París así como la cuenta de la variación de la longitud del péndulo de los segundos a lo largo del mismo meridiano. La longitud del péndulo de los segundos era un medio para medirg, la aceleración local resultante de la combinación de la gravedad local y la aceleración centrífuga, que varía con la latitud (ver la gravedad de la Tierra).

La tarea de medir el arco meridiano recayó en Pierre Méchain y Jean-Baptiste Delambre y tomó más de seis años (1792-1798). Las dificultades técnicas no fueron los únicos problemas a los que se enfrentaron los agrimensores en el convulso período posterior a la Revolución: Méchain y Delambre, y más tarde Arago, fueron encarcelados varias veces durante sus levantamientos, y Méchain murió en 1804 de fiebre amarilla, que contrajo mientras intentaba mejorar sus resultados originales en el norte de España. Mientras tanto, la comisión calculó un valor provisional a partir de encuestas anteriores de 443,44 lignes. Este valor fue fijado por ley el 7 de abril de 1795.

El proyecto se dividió en dos partes: la sección norte de 742,7 km desde el campanario, Dunkerque hasta la catedral de Rodez, que fue inspeccionada por Delambre, y la sección sur de 333,0 km desde Rodez hasta la fortaleza de Montjuïc, Barcelona, ​​que fue inspeccionada por Méchain.

Delambre utilizó una línea de base de unos 10 km (6.075,90 toesas) de longitud a lo largo de una carretera recta entre Melun y Lieusaint. En una operación que duró seis semanas, la línea de base se midió con precisión utilizando cuatro varillas de platino, cada una de dos toesas de longitud (una toesa mide aproximadamente 1,949 m). A partir de entonces, utilizó, en la medida de lo posible, los puntos de triangulación utilizados por Cassini en su reconocimiento de Francia de 1744. Línea de base de Méchain, de similar longitud (6.006,25 toesas), y también en un tramo recto de carretera entre Vernet (en la zona de Perpiñán) y Salces (actualmente Salses-le-Chateau).Aunque el sector de Méchain tenía la mitad de la longitud de Delambre, incluía los Pirineos y partes de España hasta ahora no encuestadas. Una comisión internacional compuesta por Gabriel Císcar, Jean-Baptiste Delambre, Pierre-Simon Laplace, Adrien-Marie Legendre, Pierre Méchain, Jean Henri van Swinden y Johann Georg Tralles combinó los resultados del estudio con los de la Misión Geodésica en Perú y encontró un valor de 1/334 para el aplanamiento de la Tierra. Luego extrapolaron de la medida del arco meridiano de París entre Dunkerque y Barcelona la distancia del Polo Norte al Ecuador que era de 5.130.740 toesas. Como el metro tenía que ser igual a la diezmillonésima parte de esta distancia, se definió como 0,513074 toesas o 3 pies y 11,296 líneas de la Toesa del Perú. Su resultado fue 0,144 líneas más corto que el valor provisional, una diferencia de alrededor del 0,03%.

Metro des Archives

Mientras Méchain y Delambre completaban su estudio, la comisión había ordenado que se hiciera una serie de barras de platino basadas en el metro provisional. Cuando se conoció el resultado final, se seleccionó la barra cuya longitud se aproximaba más a la definición meridional del metro y se depositó en el Archivo Nacional el 22 de junio de 1799 (4 messidor An VII en el calendario republicano) como registro permanente del resultado. Esta barra métrica estándar se conoció como el mètre des Archives.

El sistema métrico, es decir, el sistema de unidades basado en el metro, fue adoptado oficialmente en Francia el 10 de diciembre de 1799 (19 frimaire An VIII) y se convirtió en el único sistema legal de pesos y medidas a partir de 1801. Después de la restauración del Imperio, en 1812, se revivieron los antiguos nombres de las unidades de longitud, pero las unidades se redefinieron en términos del metro: este sistema se conoció como mesures usuelles y duró hasta 1840, cuando el sistema métrico decimal se convirtió nuevamente en la única medida legal. Mientras tanto, los Países Bajos habían adoptado el sistema métrico a partir de 1816. El primero de varios países en seguir el ejemplo francés, la República Helvética, había adoptado el metro poco antes de su colapso en 1803.

Con la extensión de la encuesta se hizo evidente que el resultado de Méchain y Delambre (443.296 lignes) era un poco demasiado corto para la definición meridional del metro. Mientras que el Ordnance Survey extendió el reconocimiento británico hacia el norte hasta las Islas Shetland, Arago y Biot extendieron el reconocimiento hacia el sur en España hasta la isla de Formentera en el Mar Mediterráneo occidental (1806-1809) y encontraron que una diezmillonésima parte del cuadrante de la Tierra debería ser 443,31 lignes: un trabajo posterior aumentó el valor a 443,39 lignes.

Algunos pensaron que la base del sistema métrico podría ser atacada señalando algunos errores que se colaron en las medidas de los dos científicos franceses. Méchain incluso había notado una inexactitud que no se atrevía a admitir. Louis Puissant declaró en 1836 ante la Academia de Ciencias de Francia que Delambre y Méchain se habían equivocado en la medida del arco meridiano francés. Como este levantamiento también formaba parte de la base del mapa de Francia, Antoine Yvon Villarceau verificó, de 1861 a 1866, las operaciones geodésicas en ocho puntos del arco meridiano. Luego se corrigieron algunos de los errores en las operaciones de Delambre y Méchain.

En 1866, en la conferencia de la Asociación Internacional de Geodesia en Neuchâtel, Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero anunciaron la contribución de España a la medición del arco meridiano francés. En 1870, François Perrier fue el encargado de retomar la triangulación entre Dunkerque y Barcelona. Este nuevo estudio del arco meridiano de París, llamado West Europe-Africa Meridian-arc por Alexander Ross Clarke, se llevó a cabo en Francia y Argelia bajo la dirección de François Perrier desde 1870 hasta su muerte en 1888. Jean-Antonin-Léon Bassot completó la tarea en 1896. Según los cálculos realizados en la oficina central de la asociación internacional en el gran arco meridiano que se extiende desde las Islas Shetland, a través de Gran Bretaña, Francia y España hasta El Aghuat en Argelia, el radio ecuatorial de la Tierra era de 6377935 metros,El valor moderno, para el esferoide de referencia WGS 84 con un aplanamiento de la Tierra de 1/298.257 223 563, es1.000 196 57 × 10 m para la distancia del polo norte al ecuador.

Una determinación más precisa de la Figura de la Tierra resultó también de la medición del Arco Geodésico de Struve (1816-1855) y habría dado otro valor para la definición de este estándar de longitud. Esto no invalidó el medidor, pero destacó que los avances en la ciencia permitirían una mejor medición del tamaño y la forma de la Tierra. El mètre des Archives siguió siendo el estándar legal y práctico para el metro en Francia, incluso una vez que se supo que no se correspondía exactamente con la definición meridional. Cuando se decidió (en 1867) crear un nuevo metro estándar internacional, se tomó como longitud la del mètre des Archives "en el estado en que se encuentre".

Uno de los usos internacionales significativos de la definición meridional del metro fue el trabajo inicial realizado por la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BA) sobre unidades eléctricas que conduciría al Sistema Internacional de Unidades Eléctricas y Magnéticas. A menudo se afirmaba que las unidades eléctricas internacionales formaban un conjunto coherente de unidades absolutas en el sistema cuadrante-undécimo-gramo-segundo (también conocido como "sistema QES" o "sistema QES"), donde la longitud de la unidad era el cuadrante de la Tierra. circunferencia polar, la unidad de masa era el "undécimo gramo" o 10 gramos y la unidad de tiempo era el segundo.Sin embargo, la precisión de las medidas eléctricas absolutas a fines del siglo XIX no era tal que la diferencia del 0,02% en las definiciones del medidor tuviera algún significado práctico.

En 1832, Carl Friedrich Gauss estudió el campo magnético terrestre y propuso agregar el segundo a las unidades básicas del metro y el kilogramo en la forma del sistema CGS (centímetro, gramo, segundo). En 1836, fundó el Magnetischer Verein, la primera asociación científica internacional, en colaboración con Alexander von Humboldt y Wilhelm Edouard Weber. La geofísica o el estudio de la Tierra por medio de la física precedió a la física y contribuyó al desarrollo de sus métodos. Era ante todo una filosofía natural cuyo objeto era el estudio de los fenómenos naturales como el campo magnético terrestre, los rayos y la gravedad. La coordinación de la observación de fenómenos geofísicos en diferentes puntos del globo fue de suma importancia y estuvo en el origen de la creación de las primeras asociaciones científicas internacionales. La fundación del Magnetischer Vereinle seguiría el de la Asociación Geodésica Internacional en Europa Central por iniciativa de Johann Jacob Baeyer en 1863, y el de la Organización Meteorológica Internacional en 1879.

La agencia predecesora original del National Geodetic Survey fue el United States Survey of the Coast, creado dentro del Departamento del Tesoro de los Estados Unidos por una ley del Congreso el 10 de febrero de 1807, para realizar un "Survey of the Coast". Survey of the Coast, la primera agencia científica del gobierno de los Estados Unidos, representó el interés de la administración del presidente Thomas Jefferson en la ciencia y la estimulación del comercio internacional mediante el uso de métodos científicos de topografía para cartografiar las aguas de los Estados Unidos y hacerlas seguras para navegación. Ferdinand R. Hassler, un inmigrante suizo con experiencia tanto en agrimensura como en la estandarización de pesos y medidas, fue seleccionado para dirigir la Encuesta.

Hassler presentó un plan para el trabajo de levantamiento que implicaba el uso de triangulación para garantizar la precisión científica de los levantamientos, pero las relaciones internacionales impidieron que el nuevo Survey of the Coast comenzara su trabajo; la Ley de Embargo de 1807 detuvo virtualmente el comercio exterior estadounidense solo un mes después del nombramiento de Hassler y permaneció vigente hasta que Jefferson dejó el cargo en marzo de 1809. No fue hasta 1811 que el sucesor de Jefferson, el presidente James Madison, envió a Hassler a Europa para comprar los instrumentos necesarios para realizar el levantamiento previsto, así como pesos y medidas estandarizados. Hassler partió el 29 de agosto de 1811, pero ocho meses después, mientras estaba en Inglaterra, estalló la Guerra de 1812, que lo obligó a permanecer en Europa hasta su conclusión en 1815. Hassler no regresó a los Estados Unidos hasta el 16 de agosto de 1815.

The Survey finalmente comenzó a realizar operaciones topográficas en 1816, cuando Hassler comenzó a trabajar en las cercanías de la ciudad de Nueva York. La primera línea de base se midió y verificó en 1817. La unidad de longitud a la que se referirían todas las distancias medidas en el estudio de la costa de EE. UU. era el metro del Comité (en francés: Mètre des Archives) , del cual Ferdinand Rudolph Hassler había traído una copia en Estados Unidos en 1805 .

En 1835, la invención del telégrafo por Samuel Morse permitió nuevos avances en el campo de la geodesia ya que las longitudes se determinaron con mayor precisión. Además, la publicación en 1838 de Gradmessung in Ostpreussen de Friedrich Wilhelm Bessel marcó una nueva era en la ciencia de la geodesia. Aquí se encontró el método de mínimos cuadrados aplicado al cálculo de una red de triángulos y la reducción de las observaciones en general. La manera sistemática en que se tomaron todas las observaciones con miras a obtener resultados finales de extrema precisión fue admirable. Para su estudio, Bessel utilizó una copia del Toise of Peru construido en 1823 por Fortin en París.

En 1860, el gobierno ruso, a instancias de Otto Wilhelm von Struve, invitó a los gobiernos de Bélgica, Francia, Prusia e Inglaterra a conectar sus triangulaciones para medir la longitud de un arco paralelo en la latitud 52° y probar la precisión de la figura y las dimensiones de la Tierra, derivadas de las medidas del arco de meridiano. Para combinar las medidas fue necesario comparar los estándares geodésicos de longitud utilizados en los diferentes países. El Gobierno británico invitó a los de Francia, Bélgica, Prusia, Rusia, India, Australia, Austria, España, Estados Unidos y Cabo de Buena Esperanza a enviar sus normas a la oficina de Ordnance Survey en Southampton. Cabe destacar que los estándares geodésicos de Francia, España y Estados Unidos se basaron en el sistema métrico, mientras que los de Prusia, Bélgica y Rusia se calibraron contra el toesa, de los cuales el representante físico más antiguo fue el toesa del Perú. La Toise del Perú había sido construida en 1735 como patrón de referencia en la Misión Geodésica Hispano-Francesa, realizada en el actual Ecuador desde 1735 hasta 1744.

En 1861, Johann Jacob Baeyer publicó un informe en el que sugería que los países europeos deberían cooperar en la determinación de la figura de la Tierra. En 1862, cuando Dinamarca, Sajonia-Gotha, los Países Bajos, Rusia (por Polonia), Suiza, Baden, Sajonia, Italia, Austria, Suecia, Noruega, Baviera, Mecklenburg, Hanover y Bélgica decidieron participar, Bessel's Toise fue adoptado como internacional. patrón geodésico.

Como precursor en Europa, España adoptó el metro como patrón geodésico. En 1866 España se unió a la asociación geodésica y estuvo representada por Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero. Había ideado un patrón geodésico calibrado contra el metro que había sido comparado con la Toise de Borda (una copia de la Toise de Perú construida para la medición del arco meridiano de París por Delambre y Mechain), que servía como módulo de comparación para la medición de todas las bases geodésicas de Francia. Se hizo una copia del patrón geodésico métrico español para Egipto. En 1863, Ibáñez e Ismail Effendi Mustafa compararon el estandarte español con el estandarte egipcio en Madrid.Estas comparaciones eran esenciales, debido a la expansibilidad de los materiales sólidos con aumento de temperatura que se había demostrado durante el siglo XVIII. El famoso físico y geodésico francés Pierre Bouguer había exhibido su efecto ante una gran asamblea en el Hotel des Invalides. De hecho, un hecho había dominado constantemente todas las fluctuaciones de ideas sobre la medición de bases geodésicas: era la preocupación constante por evaluar con precisión la temperatura de los patrones en el campo; y la determinación de esta variable, de la que dependía la longitud del instrumento de medida, siempre había sido considerada por los geodestas tan difícil y tan importante que casi se podría decir que la historia de los instrumentos de medida es casi idéntica a la de las precauciones tomadas. para evitar errores de temperatura.El uso del metro por parte de Ferdinand Rudolph Hassler en estudios costeros, que había sido un argumento para la introducción de la Ley Métrica de 1866 que permitía el uso del metro en los Estados Unidos, probablemente también desempeñó un papel en la elección del metro como instrumento científico internacional. unidad de longitud y la propuesta, en 1867, de la European Arc Measurement (en alemán: Europäische Gradmessung) de “establecer una oficina internacional europea de pesos y medidas”.

La European Arc Measurement decidió la creación de un estándar geodésico internacional para medir líneas de base en la Conferencia General celebrada en París en 1875.

La Conferencia de París de la Medición del Arco Europeo también trató sobre el mejor instrumento para ser utilizado para la determinación de la gravedad. Después de una discusión en profundidad en la que participó un académico estadounidense, Charles Sanders Peirce, la asociación se decidió por el péndulo de reversión, que se usaba en Suiza, y se resolvió rehacerlo en Berlín, en la estación donde Friedrich Wilhelm Bessel hizo sus famosas medidas, la determinación de la gravedad por medio de aparatos de varios tipos empleados en diferentes países, para compararlos y así tener la ecuación de sus escalas.

Los avances de la metrología combinados con los de la gravimetría a través de la mejora del péndulo de Kater llevaron a una nueva era de la geodesia. Si la metrología de precisión hubiera necesitado la ayuda de la geodesia, no podría seguir prosperando sin la ayuda de la metrología. En efecto, cómo expresar todas las medidas de los arcos terrestres en función de una sola unidad, y todas las determinaciones de la fuerza de gravedad con el péndulo, si la metrología no hubiera creado una unidad común, adoptada y respetada por todas las naciones civilizadas, y si además no se hubiera comparado, con gran precisión, a la misma unidad todas las reglas para medir bases geodésicas, y todas las varillas de péndulo que se han utilizado hasta ahora o se utilizarán en el futuro? Sólo cuando esta serie de comparaciones metrológicas se terminara con un probable error de una milésima de milímetro, la geodesia podría vincular entre sí los trabajos de las diferentes naciones, y luego proclamar el resultado de la medición del Globo.

El péndulo reversible construido por los hermanos Repsold fue utilizado en Suiza en 1865 por Émile Plantamour para la medida de la gravedad en seis estaciones de la red geodésica suiza. Siguiendo el ejemplo de este país y bajo el patrocinio de la Asociación Geodésica Internacional, Austria, Baviera, Prusia, Rusia y Sajonia emprendieron determinaciones de gravedad en sus respectivos territorios. Como la figura de la Tierra podía deducirse de las variaciones de la longitud del péndulo en segundos con las latitudes, la dirección de la Encuesta Costera de los Estados Unidos instruyó a Charles Sanders Peirce en la primavera de 1875 para que se dirigiera a Europa con el fin de realizar experimentos de péndulo en las principales estaciones iniciales para operaciones de este tipo, para poner en comunicación las determinaciones de las fuerzas de gravedad de América con las de otras partes del mundo; y también con el propósito de hacer un estudio cuidadoso de los métodos de proseguir estas investigaciones en los diferentes países de Europa.

En 1886, la asociación cambió de nombre por el de Asociación Geodésica Internacional (en alemán: Internationale Erdmessung). Después de la muerte de Johann Jacob Baeyer, Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero se convirtió en el primer presidente de la Asociación Geodésica Internacional desde 1887 hasta su muerte en 1891. Durante este período, la Asociación Geodésica Internacional ganó importancia mundial con la unión de Estados Unidos, México, Chile, Argentina y Japón.

Los esfuerzos para complementar los diversos sistemas topográficos nacionales, que comenzaron en el siglo XIX con la fundación de Mitteleuropäische Gradmessung, dieron como resultado una serie de elipsoides globales de la Tierra (p. ej., Helmert 1906, Hayford 1910/1924) que luego llevarían a desarrollar el Sistema Geodésico Mundial. Hoy en día la realización práctica del metro es posible en todas partes gracias a los relojes atómicos integrados en los satélites GPS.

Metro prototipo internacional

Las íntimas relaciones que necesariamente existieron entre la metrología y la geodesia explican que la Asociación Internacional de Geodesia, fundada para combinar y utilizar los trabajos geodésicos de diferentes países, con el fin de llegar a una nueva y más exacta determinación de la forma y dimensiones del Globo, diera nacimiento a la idea de reformar los cimientos del sistema métrico, al mismo tiempo que se expande y se internacionaliza. No, como se supuso erróneamente durante cierto tiempo, que la Asociación tuvo la idea acientífica de modificar la longitud del metro, para ajustarse exactamente a su definición histórica según los nuevos valores que se encontrarían para el meridiano terrestre. Pero, ocupados en combinar los arcos medidos en los diferentes países y conectando las triangulaciones vecinas, los geodestas se encontraron, como una de las principales dificultades, la lamentable incertidumbre que reinaba sobre las ecuaciones de las unidades de longitud utilizadas. Adolphe Hirsch, el General Baeyer y el Coronel Ibáñez decidieron, con el fin de hacer comparables todos los estándares, proponer a la Asociación elegir el metro por unidad geodésica, y crear un metro prototipo internacional que se diferenciara lo menos posible delmetro des Archives.

En 1867, la Medición de arco europea (en alemán: Europäische Gradmessung) pidió la creación de un nuevo medidor prototipo internacional (IPM) y la disposición de un sistema con el que se pudieran comparar los estándares nacionales. El gobierno francés dio apoyo práctico a la creación de una Comisión Internacional del Metro, que se reunió en París en 1870 y nuevamente en 1872 con la participación de una treintena de países. En la sesión del 12 de octubre, Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero fue elegido presidente del Comité Permanente de la Comisión Internacional del Metro, que se convertiría en el Comité Internacional de Pesos y Medidas (ICWM).

La Convención del Metro se firmó el 20 de mayo de 1875 en París y se creó la Oficina Internacional de Pesos y Medidas bajo la supervisión del Comité Internacional de Pesos y Medidas. La presidencia de Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero fue confirmada en la primera reunión del Comité Internacional de Pesos y Medidas, el 19 de abril de 1875. Otros tres miembros del comité, el astrónomo alemán Wilhelm Foerster, el meteorólogo y físico suizo Heinrich von Wild en representación de Rusia, y el geodésico suizo de origen alemán, Adolphe Hirsch, también estuvieron entre los principales artífices de la Convención del Metro.

En reconocimiento al papel de Francia en el diseño del sistema métrico, el BIPM tiene su sede en Sèvres, en las afueras de París. Sin embargo, como organización internacional, el BIPM está bajo el control final de una conferencia diplomática, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) en lugar del gobierno francés.

En 1889, la Conferencia General de Pesos y Medidas se reunió en Sèvres, sede de la Oficina Internacional. Realizó la primera gran hazaña dictada por el lema inscrito en el frontón del espléndido edificio que es el sistema métrico: " A tous les temps, a tous les peuples " (Por todos los tiempos, a todos los pueblos); y esta escritura consistió en la aprobación y distribución, entre los gobiernos de los estados que apoyaban la Convención del Metro, de patrones prototipo de precisión hasta ahora desconocida destinados a propagar la unidad métrica por todo el mundo.

Para la metrología la cuestión de la expansibilidad era fundamental; de hecho, el error de medición de la temperatura relacionado con la medición de la longitud en proporción a la expansibilidad del patrón y los esfuerzos constantemente renovados de los metrólogos para proteger sus instrumentos de medición contra la influencia de la temperatura que interfiere revelaron claramente la importancia que le dieron a la expansión. errores inducidos. Era bien sabido, por ejemplo, que las mediciones efectivas sólo eran posibles dentro de un edificio, cuyas habitaciones estaban bien protegidas contra los cambios de temperatura exterior, y la presencia misma del observador creaba una interferencia contra la cual a menudo era necesario tomar medidas. estrictas precauciones. Por lo tanto, los Estados contratantes también recibieron una colección de termómetros cuya precisión permitía asegurar la de las medidas de longitud. El prototipo internacional también sería un "estándar de línea"; es decir, el metro se definió como la distancia entre dos líneas marcadas en la barra, evitando así los problemas de desgaste de los patrones finales.

La construcción del medidor prototipo internacional y las copias que fueron los estándares nacionales estuvo al límite de la tecnología de la época. Las barras estaban hechas de una aleación especial, 90% platino y 10% iridio, que era significativamente más dura que el platino puro, y tenían una sección transversal especial en forma de X (una "sección Tresca", llamada así por el ingeniero francés Henri Tresca) para minimizar los efectos de la tensión torsional durante las comparaciones de longitud. Las primeras fundiciones resultaron insatisfactorias y el trabajo se le encomendó a la firma londinense de Johnson Matthey, que logró producir treinta barras con las especificaciones requeridas. Se determinó que uno de estos, el n. ° 6, era idéntico en longitud al mètre des Archives, y fue consagrado como metro prototipo internacional en la primera reunión de la CGPM en 1889. Las demás barras, debidamente calibradas contra el prototipo internacional, fueron distribuidas a las naciones signatarias de la Convención del Metro para su uso como patrones nacionales. Por ejemplo, Estados Unidos recibió el No. 27 con una longitud calibrada de0,999 9984 m ± 0,2 μm (1,6 μm por debajo del prototipo internacional).

La comparación de los nuevos prototipos del medidor entre sí y con el medidor del Comité (en francés: Mètre des Archives) implicó el desarrollo de un equipo de medición especial y la definición de una escala de temperatura reproducible. La primera (y única) comparación de seguimiento de los estándares nacionales con el prototipo internacional se llevó a cabo entre 1921 y 1936 e indicó que la definición del metro se conservó dentro de 0,2 μm. En ese momento, se decidió que se requería una definición más formal del metro (la decisión de 1889 había dicho simplemente que el "prototipo, a la temperatura de fusión del hielo, de ahora en adelante representará la unidad métrica de longitud"), y esto fue acordado en la 7ª CGPM de 1927.

La unidad de longitud es el metro, definido por la distancia, a 0°, entre los ejes de las dos líneas centrales marcadas en la barra de platino-iridio conservada en el Bureau International des Poids et Mesures y declarada Prototipo del metro por la 1ª Conférence Générale des Poids et Mesures, estando esta barra sujeta a presión atmosférica estándar y apoyada sobre dos cilindros de al menos un centímetro de diámetro, colocados simétricamente en el mismo plano horizontal a una distancia de 571 mm entre sí.

Los requisitos de soporte representan los puntos Airy del prototipo: los puntos, separados por ⁴ ⁄ ₇ de la longitud total de la barra, en los que se minimiza la flexión o caída de la barra.

El trabajo de termometría del BIPM condujo al descubrimiento de aleaciones especiales de hierro-níquel, en particular el invar, por lo que su director, el físico suizo Charles-Édouard Guillaume, recibió el Premio Nobel de Física en 1920. En 1900, el Comité Internacional de Pesos y Medidas respondió a una solicitud de la Asociación Internacional de Geodesia e incluyó en el programa de trabajo de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas el estudio de medidas mediante hilos de invar. Edvard Jäderin, un geodesta sueco, había inventado un método para medir bases geodésicas, basado en el uso de alambres tensos bajo un esfuerzo constante. Sin embargo, antes del descubrimiento del invar, este proceso era mucho menos preciso que el método clásico. Charles-Édouard Guillaume demostró la eficacia del método de Jäderin, mejorado por el uso de invar' hilos Midió una base en el Túnel Simplon en 1905. La precisión de las medidas era igual a la de los métodos antiguos, mientras que la velocidad y la facilidad de las medidas eran incomparablemente mayores.

Opciones interferométricas

Las primeras medidas interferométricas realizadas con el prototipo de metro internacional fueron las de Albert A. Michelson y Jean-René Benoît (1892–1893) y de Benoît, Fabry y Perot (1906), ambas utilizando la línea roja del cadmio. Estos resultados, que dieron la longitud de onda de la línea de cadmio (λ ≈ 644 nm), llevaron a la definición del ångström como unidad secundaria de longitud para medidas espectroscópicas, primero por la Unión Internacional para la Cooperación en la Investigación Solar (1907) y posteriormente por el CIPM (1927). El trabajo de Michelson al "medir" el medidor prototipo con una precisión de ¹ ⁄ ₁₀ de longitud de onda (< 0,1 μm) fue una de las razones por las que recibió el Premio Nobel de Física en 1907.

En la década de 1950, la interferometría se había convertido en el método de elección para mediciones precisas de longitud, pero seguía existiendo un problema práctico impuesto por el sistema de unidades utilizado. La unidad natural para expresar una longitud medida por interferometría era el ångström, pero este resultado tuvo que convertirse en metros utilizando un factor de conversión experimental: la longitud de onda de la luz utilizada, pero medida en metros en lugar de ångströms. Esto agregó una incertidumbre de medición adicional a cualquier resultado de longitud en metros, además de la incertidumbre de la medición interferométrica real.

La solución fue definir el metro de la misma manera que se había definido el ångström en 1907, es decir, en términos de la mejor longitud de onda interferométrica disponible. Los avances tanto en la técnica experimental como en la teoría demostraron que la línea de cadmio era en realidad un grupo de líneas estrechamente separadas y que esto se debía a la presencia de diferentes isótopos en el cadmio natural (ocho en total). Para obtener la línea definida con mayor precisión, era necesario utilizar una fuente monoisotópica y esta fuente debería contener un isótopo con un número par de protones y neutrones (para que no tenga espín nuclear).

Varios isótopos de cadmio, criptón y mercurio cumplen la condición de espín nuclear cero y tienen líneas brillantes en la región visible del espectro.

Estándar de criptón

El criptón es un gas a temperatura ambiente, lo que permite un enriquecimiento isotópico más fácil y temperaturas de funcionamiento más bajas para la lámpara (lo que reduce el ensanchamiento de la línea debido al efecto Doppler), por lo que se decidió seleccionar la línea naranja de criptón-86 (λ ≈ 606 nm) como el nuevo estándar de longitud de onda.

En consecuencia, la 11ª CGPM en 1960 acordó una nueva definición del metro:

El metro es la longitud igual a 1 650 763,73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p ₁₀ y 5d ₅ del átomo de criptón 86.

La medida de la longitud de onda de la línea de criptón no se hizo directamente contra el metro prototipo internacional; en cambio, la relación entre la longitud de onda de la línea de criptón y la de la línea de cadmio se determinó en el vacío. Luego, esto se comparó con la determinación de Fabry-Perot de 1906 de la longitud de onda de la línea de cadmio en el aire (con una corrección para el índice de refracción del aire). De esta forma, la nueva definición del metro se podía rastrear tanto en el antiguo prototipo de metro como en la antigua definición del ångström.

Estándar de velocidad de la luz

La lámpara de descarga de kriptón-86 que funciona en el punto triple del nitrógeno (63,14 K, −210,01 °C) fue la fuente de luz más avanzada para la interferometría en 1960, pero pronto sería reemplazada por un nuevo invento: el láser, cuya primera versión funcional se construyó el mismo año que la redefinición del metro. La luz láser suele ser muy monocromática y también es coherente (toda la luz tiene la misma fase, a diferencia de la luz de una lámpara de descarga), lo cual es ventajoso para la interferometría.

Las deficiencias del estándar de criptón se demostraron mediante la medición de la longitud de onda de la luz de un láser de helio-neón estabilizado con metano (λ ≈ 3,39 μm). Se descubrió que la línea de criptón era asimétrica, por lo que se podían encontrar diferentes longitudes de onda para la luz láser según el punto de la línea de criptón que se tomara como referencia. La asimetría también afectó la precisión con la que se podían medir las longitudes de onda.

Los avances en electrónica también hicieron posible por primera vez medir la frecuencia de la luz en o cerca de la región visible del espectro, en lugar de inferir la frecuencia a partir de la longitud de onda y la velocidad de la luz. Aunque las frecuencias visibles e infrarrojas todavía eran demasiado altas para medirlas directamente, fue posible construir una "cadena" de frecuencias láser que, mediante una multiplicación adecuada, difieren entre sí solo en una frecuencia medible directamente en la región de microondas. Se encontró que la frecuencia de la luz del láser estabilizado con metano era 88.376 181 627(50) THz.

Las mediciones independientes de frecuencia y longitud de onda son, en efecto, una medición de la velocidad de la luz (c = fλ), y los resultados del láser estabilizado con metano dieron el valor de la velocidad de la luz con una incertidumbre casi 100 veces menor que la anterior. mediciones en la región de microondas. O, algo inconveniente, los resultados dieron dos valores para la velocidad de la luz, dependiendo de qué punto de la línea de criptón se eligió para definir el metro. Esta ambigüedad se resolvió en 1975, cuando la 15ª CGPM aprobó un valor convencional de la velocidad de la luz de exactamente 299 792 458 m s.

Sin embargo, la luz infrarroja de un láser estabilizado con metano no era conveniente para su uso en interferometría práctica. No fue hasta 1983 que la cadena de medidas de frecuencia alcanzó la línea de 633 nm del láser de helio-neón, estabilizado con yodo molecular. Ese mismo año, la 17ª CGPM adoptó una definición del metro, en términos del valor convencional de 1975 para la velocidad de la luz:El metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de ¹ ⁄ _{299 792 458} de segundo.

Esta definición se reformuló en 2019:El metro, de símbolo m, es la unidad de longitud del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la velocidad de la luz en el vacío c como299 792 458 cuando se expresa en la unidad m⋅s, donde el segundo se define en términos de la frecuencia de cesio Δ ν _Cs.

El concepto de definir una unidad de longitud en términos de tiempo recibió algunos comentarios. En ambos casos, el problema práctico es que el tiempo se puede medir con mayor precisión que la longitud (una parte en 10 por segundo usando un reloj de cesio en lugar de cuatro partes en 10 para el metro en 1983). La definición en términos de la velocidad de la luz también significa que el medidor se puede realizar utilizando cualquier fuente de luz de frecuencia conocida, en lugar de definir una fuente "preferida" de antemano. Dado que hay más de 22 000 líneas en el espectro visible del yodo, cualquiera de las cuales podría usarse potencialmente para estabilizar una fuente láser, las ventajas de la flexibilidad son obvias.

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