Blog

20 maja 2023 obchodzimy Światowy Dzień Metrologii

Światowy Dzień Metrologii to coroczne święto, które upamiętnia podpisanie Konwencji Metrycznej 20 maja 1875 roku przez reprezentantów siedemnastu państw. Sygnatariusze Konwencji chcieli doprowadzić do ujednolicenia systemu metrycznego na całym świecie. Polska dołączyła do tego grona 12 maja 1925 roku.

8 lutego 1919 roku Józef Piłsudski podpisał Dekret o miarach, jeden z pierwszych aktów prawnych odrodzonego państwa. Z kolei Główny Urząd Miar, organ właściwy w sprawach miar i probiernictwa, powstał 1 kwietnia tego samego roku.

Rok 1875 to również data powstania Międzynarodowego Biura Miar i Wag (BIPM) z siedzibą w Sevres, które jest finansowane ze składek sygnatariuszy traktatu. Do podstawowych zadań BIPM należy ujednolicenie systemu miar, przechowywanie wzorców miar, okresowe kontrolowanie wzorców narodowych oraz koordynacja prac laboratoriów państw członkowskich.

System miar i wag przed podpisaniem Konwencji Metrycznej

System miar i wag czy odmierzania czasu kształtował się w trakcie długotrwałego, wielowiekowego procesu. Pierwsze mierniki pojawiły się w podstawowych dziedzinach działalności ludzkiej. Wynikało to z potrzeby określenia wzorców oceny pracy np. w rolnictwie czy rzemiośle.

Początkowo były to proste pomiary przestrzeni i wagi stosowane przez mieszkańców danego regionu, a system był zrozumiały tylko dla nich. Miary archaiczne wywodziły się najczęściej od wielkości części ludzkiego ciała i ludzkiej pracy wykonywanej w określonych warunkach. Z czasem zaczęły powstawać umowne jednostki, zwiększały się też oczekiwania co do stopnia ich precyzji.

Na najdawniej zachowane wagi archeolodzy wskazali te z terenów górnego Egiptu (9 tys. lat p.n.e.). Spójny system miar i wag ukształtował się również w Babilonie (ok. 1800 p.n.e.). Babiloński system liczb (sześćdziesiętny) w połączeniu z fenickim (dziesiętnym) stał się podstawą systemu wagowego starożytnej Grecji (VII w. p.n.e.); łączył się on z tamtejszym systemem monetarnym. Natomiast w starożytnym Rzymie system wagowy opierał się na układzie dwunastkowym (poł. IV w. p.n.e.), a jego podstawę stanowił funt (libra, as)[1]. W okresie średniowiecza, głównie w Europie, rozwinęły się różne systemy miar i wag, zależne od regionu czy branży. Kupcy często posługiwali się własnymi miarami, co znacznie komplikowało handel nawet między sąsiednimi miastami. Wraz z rewolucją przemysłową pojawiła się pilna potrzeba ustandaryzowania jednostek miar, aby ułatwić produkcję, handel i wymianę towarów na szeroką skalę. Wiele krajów rozpoczęło proces standaryzacji miar, takich jak długość, masa i czas. Początki systemu metrycznego sięgają Rewolucji Francuskiej. W tym czasie w samej Francji używano około 250 000 różnych jednostek pomiarowych. Ta sytuacja generowała duże utrudnienia, chociażby przy obrocie towarów. Zaczęto więc projektować nowy, uniwersalny system, który z założenia miał być racjonalny, a jego jednostki miały opierać się na niezmiennych odniesieniach do natury, a nie na dekretach lokalnych włodarzy. Chciano stworzyć niezmienne, uniwersalne jednostki miar obowiązujące na całym świecie. W taki sposób narodził się Międzynarodowy System Jednostek (SI). Współczesny system jednostek miar (SI) został opracowany w drugiej połowie XIX wieku. SI opiera się na kilku podstawowych jednostkach, takich jak metr (długość), kilogram (masa) i sekunda (czas), oraz na określonych stałych fizycznych. Współcześnie przeważająca liczba krajów na świecie uznała system SI jako oficjalny i obowiązujący standard miar.

Wzorzec z Sevres przeszedł do historii

Wzorzec kilograma z Sevres został wykonany w Londynie w 1889 roku. Składa się w 90% z platyny i w 10% z irydu. Przechowywany jest pod trzema szklanymi kloszami i wyjmowany do oczyszczenia raz na 40 lat. Mimo tak ścisłej izolacji od czynników zewnętrznych nie oparł się czasowi i jego masa ulega zmianie. Ocenia się, że wzorzec kilograma z Sevres stracił na wadze 50 mikrogramów, a to oznacza, że w minionych latach kilogram był kilogramowi nierówny. Obecnie wzorzec jest cennym zabytkiem. Do 2019 roku definicja kilograma określała, że kilogram jest jednostką masy, równą masie prototypu znajdującego się w Międzynarodowym Biurze Miar w podparyskim Sevres. Nowa definicja określa, że kilogram definiowany jest przez przyjęcie ustalonej wartości liczbowej stałej Plancka h, wynoszącej 6,626 070 15 × 10^-34, wyrażonej w jednostce J·s, która jest równa kg·m²·s^-1, przy czym metr i sekunda zdefiniowane są za pomocą c i ∆νCs.

Jak to się stało, że słynny wzorzec z Sevres trafił do muzeum? W 2019 roku nastąpiła rewizja Międzynarodowego Systemu Jednostek Miar (SI), która wprowadziła nowe definicje kilograma, ampera, kelwina i mol-a oparte na stałych fizycznych. Był to ważny krok w kierunku dokładniejszych i bardziej stabilnych jednostek miar. Reprezentanci 60 krajów podjęli ważną decyzję o zmianie definicji Międzynarodowego Układu Jednostek Miar. Zdecydowano, że jednostki SI zostaną oparte o stałe opisujące w naturze. Dzięki temu system SI pozostanie stabilny i pozwoli na zaimplementowanie nowych definicji w najnowszych technologiach. Rewizja Międzynarodowego Systemu Jednostek Miar (SI) dokonana w 2019 roku miała na celu zapewnienie bardziej stabilnych i precyzyjnych definicji podstawowych jednostek miar. Istniejące definicje niektórych jednostek, takich jak kilogram, były oparte na konkretnych fizycznych artefaktach, co stwarzało pewne problemy. Rewizja SI polegała na przedefiniowaniu tych jednostek na podstawie stałych fizycznych, które są fundamentalnymi i niezmiennymi cechami natury. Posłużmy się przykładem wspomnianego już kilograma - nowa definicja kilograma opiera się na wartości stałej Plancka, która jest stałą fizyczną i ma wartość niezależną od konkretnego artefaktu. Zmiana ta ma kilka korzyści. Po pierwsze, wprowadzenie nowych definicji opartych na stałych fizycznych eliminuje potrzebę korzystania z fizycznych wzorców, które mogą ulegać degradacji i zmianom w czasie. To zapewnia większą trwałość i niezmienną wartość jednostek miar. Po drugie, nowe definicje oparte na stałych fizycznych umożliwiają bardziej precyzyjne i powtarzalne pomiary, ponieważ stałe fizyczne są bardziej stabilne i mogą być dokładniej reprodukowane w różnych laboratoriach. Wreszcie, rewizja SI zapewnia większą spójność między różnymi dziedzinami nauki i technologii, ponieważ jednostki miar są teraz oparte na tych samych fundamentalnych zasadach fizycznych.

Rewizja SI była ważnym krokiem w kierunku dokładniejszych, bardziej stabilnych i spójnych jednostek miar, co ma istotne znaczenie w wielu dziedzinach nauki, przemysłu i handlu. W przeciwieństwie do przedmiotu fizycznego, stałe fundamentalne nie podlegają zmianie. Od 2019 kilogram ma tę samą masę, niezależnie od tego, czy znajdujmy się na Ziemi czy w Kosmosie. Naukowcy zajmujący się miarami, podkreślają, że to niezwykle ważny moment w historii człowieka. Możliwość dokonywania coraz bardziej precyzyjnych pomiarów świadczy o ciągłym rozwoju i postępie naszego gatunku.

W dziedzinie nauki metrologii w ostatnich latach dokonano jeszcze kilku innych istotnych zmian i postępów. Oto kilka przykładów:

Nastąpił rozwój metrologii kwantowej - obszaru badań, w którym wykorzystuje się zasady mechaniki kwantowej do precyzyjnych pomiarów. Prace te charakteryzują się opracowaniem jak najbardziej precyzyjnych zegarów atomowych, które wykorzystują oscylacje atomowe do pomiaru czasu.

Zwiększyło się znaczenie technologii nanoskalowych, co spowodowało jednocześnie rozwój nowych narzędzi i technik pomiarowych. Metrologia w nanoskali pozwala na precyzyjne pomiary i kontrolę struktur o rozmiarach rzędu nanometrów, co ma przełożenie na dziedziny takie jak nanoelektronika, nanomedycyna i nanomateriały. Niemniej jednak cały czas pojawiają się nowe wyzwania przed metrologią - postęp w dziedzinach takich jak sztuczna inteligencja, Internet Rzeczy (IoT) i robotyka powoduje, że pojawiają się nowe metody i narzędzia pomiarowe zapewniające wysoką dokładność i wiarygodność pomiarów w kontekście nowych technologii. Metrologia ewoluuje wraz ze zmieniającym się światem i przyczynia się do rozwoju ludzkości. Nic dziwnego, że Światowy Dzień Metrologii każdego roku wyznacza inny temat w oparciu o bieżące wydarzenia. W trakcie trwania pandemii Covid- 19 w 2021 był to temat ,,Pomiary dla zdrowia na rok 2021”. W 2022 roku tematem wiodącym Światowego Dnia Metrologii była Metrologia w Erze Cyfrowej. Natomiast Tegoroczny temat Światowego Dnia Metrologii to „Pomiary wspierające globalny system żywnościowy”. Temat ten został wybrany z powodu rosnących wyzwań związanych ze zmianami klimatu i globalną dystrybucją żywności na świecie, którego zaludnienie pod koniec minionego roku osiągnęło poziom 8 miliardów ludzi.

[1] miary i wagi historyczne, Encyklopedia PWN: źródło wiarygodnej i rzetelnej wiedzy