Historia del metro

El uso de una escala decimal para las mediciones fue propuesto por Simon Stevin , un matemático flamenco, en 1586. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

En el siglo XVIII, la Academia Francesa de Ciencias organizó trabajos sobre cartografía y geodesia que incluían la medición del tamaño y la forma de la Tierra. ^{[ 12 ]} Mediante estudios en Ecuador y Laponia se descubrió que la Tierra no es una esfera perfecta, sino un esferoide achatado , como Newton había deducido a partir de las variaciones en la longitud del péndulo de segundos con la latitud . ^{[ 13 ]}

Hacia 1602, Galileo observó que la oscilación regular del péndulo dependía de su longitud. ^{[ 14 ]} En 1645, Giovanni Battista Riccioli determinó la longitud de un péndulo cuya oscilación es de un segundo en cada dirección, un " péndulo de segundos ". ^{[ 15 ]}

En 1671, Jean Picard propuso esta longitud como una unidad de medida que se llamaría Rayon Astronomique (radio astronómico). ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} En 1675, Tito Livio Burattini sugirió llamarlo metro cattolico (medida universal). ^{[ 19 ]} Sin embargo, entre 1671 y 1673, el astrónomo Jean Richer descubrió que la longitud de un péndulo de segundos varía de un lugar a otro dependiendo de la latitud. ^{[ 20 ] [ 18 ]}

En la década de 1790, los científicos franceses no querían introducir otra dimensión ( el tiempo ) en la definición de la unidad de longitud , ^{[ 2 ]} que era la unidad en la que se basaba el sistema métrico ( metro y kilogramo ). ^{[ 21 ]} Sin embargo, originalmente también se planeó desmaterializar la definición del metro contando el número de oscilaciones de un péndulo de un metro de longitud durante un día (86.400 segundos), en el vacío, a nivel del mar, a la temperatura del hielo derretido y a una latitud de 45°. ^{[ 2 ]}

La segunda se añadió al sistema tras una propuesta de Carl Friedrich Gauss , en 1832, para basar un sistema de unidades absolutas en las tres unidades fundamentales de longitud, masa y tiempo. ^{[ 22 ]}

En el siglo XIX, se diseñaron instrumentos de medición calibrados en el metro para la cartografía estadounidense, española y egipcia .

Uno de los patrones de hierro del metro fue traído a los Estados Unidos en 1805. ^{[ 32 ]} Se le conoció como el Metro del Comité en los Estados Unidos y sirvió como patrón de longitud en el Servicio Cartográfico Costero de los Estados Unidos hasta 1890. ^{[ 33 ] [ 32 ] [ 34 ]}

En 1855, el mapa de Dufour (en francés: Carte Dufour ), el primer mapa topográfico de Suiza en el que se adoptó el metro como unidad de longitud, ganó la medalla de oro en la Exposición Universal. ^{[ 35 ] [ 36 ]} Paralelamente a la Exposición Universal (1855) y al segundo Congreso de Estadística celebrado en París, se creó en 1855 una asociación con el fin de obtener un sistema decimal uniforme de medidas, pesos y monedas. ^{[ 1 ]} Durante la Exposición Universal (1867) en París se creó un Comité de Pesos, Medidas y Monedas (en francés: Comité des poids, mesures et monnaies ) que abogó por la adopción internacional del sistema métrico. ^{[ 37 ] [ 1 ]}

En los Estados Unidos, la Ley Métrica de 1866 permitió el uso del metro en los Estados Unidos, ^{[ 38 ]} y en 1867 la Conferencia General de la Medición de Arco Europea (en alemán: Europäische Gradmessung ) propuso la creación de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas . ^{[ 39 ] [ 40 ]}

En 1869, la Academia de Ciencias de San Petersburgo envió un informe invitando a su homóloga francesa a emprender acciones conjuntas para garantizar el uso universal del sistema métrico en todos los trabajos científicos. ^{[ 4 ]} La Academia Francesa de Ciencias y la Oficina de Longitudes de París llamaron la atención del gobierno francés sobre este asunto. Ese mismo año, Napoleón III extendió invitaciones para unirse a la Comisión Internacional del Metro . ^{[ 37 ]}

La Comisión solicitó la creación de un nuevo prototipo internacional de metro cuya longitud fuera lo más parecida posible a la del Mètre des Archives y el establecimiento de un sistema que permitiera comparar las normas nacionales con él. ^{[ 4 ]}

En la Convención del Metro de 1875, el metro fue adoptado como unidad científica internacional de longitud.

Las primeras mediciones interferométricas realizadas con el prototipo internacional del metro fueron las de Albert A. Michelson y Jean-René Benoît (1892-1893) ^{[ 56 ]} y las de Benoît, Fabry y Perot (1906) ^{[ 57 ]} , ambas utilizando la línea roja del cadmio . Estos resultados, que dieron la longitud de onda de la línea del cadmio ( λ  ≈ 644  nm), llevaron a la definición del angstrom como una unidad de longitud secundaria para mediciones espectroscópicas, primero por la Unión Internacional para la Cooperación en la Investigación Solar (1907) ^{[ 58 ]} y más tarde por el CIPM (1927). ^{[ 41 ] [ 59 ]} El trabajo de Michelson en "medir" el prototipo del metro con una precisión de 1/10 de longitud de onda ( < 0,1  μm) fue una de las razones por las que se le otorgó el Premio Nobel de Física en 1907. ^{[ 9 ] [ 41 ] [ 60 ]}

En la década de 1950, la interferometría se había convertido en el método predilecto para mediciones precisas de longitud, pero persistía un problema práctico derivado del sistema de unidades utilizado. La unidad natural para expresar una longitud medida por interferometría era el angstrom, pero este resultado debía convertirse a metros mediante un factor de conversión experimental: la longitud de onda de la luz utilizada, pero medida en metros en lugar de angstroms. Esto añadía una incertidumbre de medición adicional a cualquier resultado de longitud en metros, que se sumaba a la incertidumbre de la propia medición interferométrica.

La solución consistió en definir el metro del mismo modo que se había definido el angstrom 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 del cadmio era en realidad un conjunto de líneas muy próximas entre sí, y que esto se debía a la presencia de diferentes isótopos en el cadmio natural (ocho en total). Para obtener la línea definida con la mayor precisión, era necesario utilizar una fuente monoisotópica que contuviera un isótopo con un número par de protones y neutrones (para tener un espín nuclear cero ). ^{[ 9 ]}

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

El criptón es un gas a temperatura ambiente, lo que permite un enriquecimiento isotópico más sencillo 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 del criptón-86 ( λ  ≈ 606  nm) como el nuevo estándar de longitud de onda. ^{[ 9 ] [ 61 ]}

En consecuencia, la 11.ª CGPM en 1960 acordó una nueva definición del metro: ^{[ 46 ]} 

El metro es la longitud equivalente 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 kriptón 86.

La medición de la longitud de onda de la línea del kriptón no se realizó directamente con respecto al prototipo internacional del metro; en su lugar, se determinó la relación entre la longitud de onda de la línea del kriptón y la de la línea del cadmio en el vacío. Esta se comparó luego con la determinación de la longitud de onda de la línea del cadmio en el aire, realizada en 1906 mediante el método Fabry-Perot (con una corrección para el índice de refracción del aire). ^{[ 9 ] [ 45 ]} De esta manera, la nueva definición del metro era trazable tanto al antiguo prototipo del metro como a la antigua definición del angstrom.

La lámpara de descarga de kriptón-86 que operaba en el punto triple del nitrógeno (63,14  K, −210,01  °C) era la fuente de luz más avanzada para la interferometría en 1960, pero pronto fue reemplazada por una nueva invención: el láser , cuya primera versión funcional se construyó el mismo año que la redefinición del metro. ^{[ 62 ]} La luz láser suele ser altamente monocromática y también coherente (toda la luz tiene la misma fase , a diferencia de la luz de una lámpara de descarga), características ambas ventajosas para la interferometría. ^{[ 9 ]}

Las deficiencias del estándar de kriptón 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 encontró que la línea del kriptón era asimétrica, por lo que se podían encontrar diferentes longitudes de onda para la luz láser dependiendo del punto de la línea del kriptón que se tomara como referencia. ^{[ b ]} La asimetría también afectó la precisión con la que se podían medir las longitudes de onda. ^{[ 63 ] [ 64 ]}  

Los avances en electrónica también permitieron, por primera vez, medir la frecuencia de la luz en la región visible del espectro o cerca de ella, en lugar de inferirla a partir de la longitud de onda y la velocidad de la luz . Aunque las frecuencias visibles e infrarrojas aún eran demasiado altas para medirlas directamente, fue posible construir una "cadena" de frecuencias láser que, mediante una multiplicación adecuada, difieren entre sí únicamente en una frecuencia directamente medible en la región de microondas . Se determinó que la frecuencia de la luz del láser estabilizado con metano era de 88,376 181 627(50)  THz. ^{[ 63 ] [ 65 ]}

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 un valor para la velocidad de la luz con una incertidumbre casi 100 veces menor que las mediciones anteriores en la región de microondas. O, de manera algo inconveniente, los resultados dieron dos valores para la velocidad de la luz, dependiendo del punto de la línea del kriptón que se eligiera para definir el metro. ^{[ c ]} Esta ambigüedad se resolvió en 1975, cuando la 15.ª CGPM aprobó un valor convencional de la velocidad de la luz de exactamente 299 792 458 m ^s⁻¹ . ^{[ 66 ]}  

Sin embargo, la luz infrarroja de un láser estabilizado con metano era inconveniente para su uso en interferometría práctica. No fue hasta 1983 que la cadena de mediciones de frecuencia alcanzó la  línea de 633 nm del láser de helio-neón, estabilizado con yodo molecular . ^{[ 67 ] [ 68 ]} Ese mismo año, la 17.ª  CGPM adoptó una definición del metro, en términos del valor convencional de 1975 para la velocidad de la luz: ^{[ 69 ]}

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 fue reformulada en 2019: ^{[ 7 ]}

El metro, 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 ⁻¹ , donde el segundo se define en términos de la frecuencia del cesio Δ ν _Cs .

El concepto de definir una unidad de longitud en términos de tiempo recibió algunos comentarios. ^{[ 70 ]} En ambos casos, la cuestión práctica es que el tiempo se puede medir con mayor precisión que la longitud (una parte en 10 ¹³ para un segundo usando un reloj de cesio en comparación con cuatro partes en 10 ⁹ para el metro en 1983). ^{[ 59 ] [ 70 ]} La definición en términos de la velocidad de la luz también significa que el metro se puede realizar usando 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. ^{[ 70 ]}