Bureau international des poids et mesures

XIX secolo

La mappa Dufour (in francese: Carte Dufour), la prima mappa topografica della Svizzera per la quale il metro fu adottato come unità di lunghezza, vinse la medaglia d'oro all'Esposizione universale di Parigi del 1855. Tuttavia, le linee di base per questa mappa furono misurate nel 1834 con aste di misurazione lunghe tre toise calibrate su una toise realizzata nel 1821 da Jean Nicolas Fortin per Friedrich Georg Wilhelm von Struve La misurazione dell'arco geodetico di Struve si estese per un periodo di quarant'anni e diede inizio a una collaborazione scientifica internazionale tra l'Impero russo e i regni di Svezia e Norvegia, con il coinvolgimento di astronomi di spicco come Friedrich Georg Wilhelm von Struve, Friedrich Wilhelm Bessel, Carl Friedrich Gauss e George Biddell Airy.

A margine dell'Esposizione universale (1855) e del secondo Congresso di Statistica tenutosi a Parigi, venne creata un'associazione con l'obiettivo di ottenere un sistema decimale uniforme di misure, pesi e valute. Sotto l'impulso di questa associazione, durante l'Esposizione universale di Parigi (1867) sarebbe stato creato un Comitato per i Pesi, le Misure e le Monete (in francese: Comité des poids, mesures et monnaies) che avrebbe chiesto l'adozione internazionale del sistema metrico.

Molte misurazioni dei gradi di longitudine lungo i paralleli centrali in Europa furono pianificate e in parte eseguite già nella prima metà del XIX secolo; tuttavia, queste acquisirono importanza solo dopo l'introduzione del telegrafo elettrico, grazie al quale la determinazione delle longitudini tramite osservazioni astronomiche ha raggiunto un grado di precisione molto più elevato. Il momento più importante è stata la misurazione effettuata in prossimità del 52º parallelo di latitudine nord, che si estende da Valentia in Irlanda fino a Orsk, nei monti Urali meridionali, coprendo 75° di longitudine. Friedrich Georg Wilhelm von Struve, che deve essere considerato il padre delle misurazioni di latitudine russo-scandinave, fu l'autore di questa ricerca. Dopo aver preso gli accordi necessari con i governi nel 1857, li trasferì a suo figlio Otto, il quale, nel 1860, ottenne la collaborazione dell'Inghilterra.

Nel 1858, fu istituita una Commissione Tecnica Egiziana per continuare, adottando le procedure istituite in Europa, il lavoro catastale, inaugurato, sotto Mehmet Ali mediante la cassaba (Qaṣbah قصبة, un'antica unità di misura araba). Questa Commissione suggerì al Viceré Sa'id Pascià l'idea di costruire dispositivi geodetici che furono commissionati in Francia. Il Khedivè affidò a Ismail Mustafa al-Falaki lo studio, in Europa, dell'apparato di precisione calibrato rispetto al metro destinato a misurare le linee di base geodetiche e già costruito da Jean Brunner a Parigi. Ismail Mustafa ebbe il compito di eseguire gli esperimenti necessari per determinare i coefficienti di espansione termica dei due righelli di platino e ottone e di confrontare lo standard egiziano con uno standard noto. Lo standard spagnolo progettato da Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero e Frutos Saavedra Meneses fu scelto per questo scopo, poiché era servito da modello per la costruzione dello standard egiziano. Inoltre, lo standard spagnolo era stato confrontato con la doppia toise n. 1 di Borda, che serviva da modulo di confronto per la misurazione di tutte le linee di base geodetiche in Francia.

Nel 1860, il governo russo, su sollecitazione di Otto Wilhelm von Struve, invitò i governi di Belgio, Francia, Prussia e Inghilterra a combinare le proprie triangolazioni per misurare la lunghezza di un arco di parallelo a 52° di latitudine. L'obiettivo era verificare l'accuratezza della forma e delle dimensioni della Terra, derivate dalle misurazioni dell'arco meridiano. La combinazione di queste misurazioni richiedeva il confronto degli standard di lunghezza utilizzati nei diversi paesi. Il governo britannico invitò i governi di Francia, Belgio, Prussia, Russia, India, Australia, Austria, Spagna, Stati Uniti e Capo di Buona Speranza a inviare i propri standard all'ufficio dell'Ordnance Survey di Southampton. Vale la pena notare che gli standard geodetici di Francia, Spagna e Stati Uniti erano basati sul sistema metrico, mentre quelli di Prussia, Belgio e Russia erano calibrati rispetto alla toise, il più antico standard fisico essendo la Toise del Perù, che era stata costruita nel 1735 come standard di riferimento per la missione geodetica francese all'Equatore, condotta nell'attuale Ecuador dal 1735 al 1744.

Nel 1861, Johann Jacob Baeyer, allievo di Friedrich Bessel, propose la creazione dell'Associazione per la Misurazione dei Gradi nell'Europa Centrale (Mitteleuropäische Gradmessung), il cui obiettivo era una nuova determinazione delle anomalie nella forma della Terra attraverso precise triangolazioni geodetiche, combinate con misurazioni gravitazionali. Lo scopo era determinare il geoide utilizzando misurazioni gravimetriche e lavori di livellamento topografico, al fine di ottenere una comprensione accurata dello sferoide terrestre, tenendo conto delle variazioni locali di gravità e altitudine. Nel 1864, quando Danimarca, Sassonia-Coburgo e Gotha, Paesi Bassi, Russia (attraverso la Polonia), Svizzera, Baden, Sassonia, Italia, Austria, Svezia, Norvegia, Baviera, Meclemburgo, Hannover e Belgio decisero di partecipare, la toise utilizzata da Bessel fu adottata come standard geodetico internazionale.

Membro fondatore del Comitato Internazionale della Croce Rossa, Guillaume Henri Dufour contribuì alla creazione dell'Associazione Geodetica Internazionale come membro della Commissione Geodetica Svizzera dal 1861. Nel 1866, a Neuchâtel, Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero proposto l'adesione della Spagna all'associazione geodetica. L'uso del metro da parte di Ferdinand Rudolph Hassler, che era stato un argomento a favore dell'introduzione del Metric Act del 1866 che consentiva l'uso del metro negli Stati Uniti, probabilmente ha giocato un ruolo importante anche nella scelta del metro come unità scientifica internazionale di lunghezza e nella proposta, nel 1867, dell'European Arc Measurement (in tedesco: Europäische Gradmessung) di "istituire un ufficio europeo internazionale di pesi e misure" a questo scopo.

Nel frattempo, Friedrich Bessel fu responsabile delle indagini del XIX secolo sulla forma della Terra, basate sulla determinazione della gravità tramite il pendolo e il teorema di Clairaut. I suoi studi, condotti tra il 1825 e il 1828, e la determinazione della lunghezza del pendolo che batté il secondo a Berlino, segnarono l'inizio di una nuova era nella geodesia sette anni dopo. Infatti, il pendolo reversibile, così come utilizzato dai geodeti alla fine del XIX secolo, deve molto al lavoro di Bessel, poiché né Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger, il suo inventore, né Henry Kater, che lo utilizzò nel 1818, apportarono i miglioramenti derivanti dalle preziose intuizioni di Bessel, che trasformarono il pendolo reversibile in uno degli strumenti più affidabili a disposizione degli scienziati del XIX secolo. Il pendolo reversibile costruito dai fratelli Repsold fu utilizzato in Svizzera nel 1865 da Émile Plantamour per misurare la gravità in sei stazioni della rete geodetica svizzera. Seguendo l'esempio della Svizzera e sotto l'egida dell'Associazione Geodetica Internazionale, Austria, Baviera, Prussia, Russia e Sassonia hanno effettuato misurazioni gravimetriche nei rispettivi territori.

Nel 1869, l'Accademia delle Scienze di San Pietroburgo inviò all'Accademia francese delle scienze una relazione redatta da Otto Wilhelm von Struve, Heinrich von Wild e Moritz von Jacobi, invitando la controparte francese ad intraprendere un'azione congiunta per garantire l'uso universale del sistema metrico in tutti i lavori scientifici.

Come affermato da Carlos Ibáñez e Ibáñez de Ibero, se la metrologia di precisione aveva avuto bisogno dell'aiuto della geodesia, quest'ultima non avrebbe potuto continuare a prosperare senza l'aiuto della metrologia. Infatti, esprimere tutte le misurazioni degli archi terrestri in termini di un'unica unità, e tutte le determinazioni della forza di gravità con il pendolo, non sarebbe stato possibile se la metrologia non avesse creato un'unità comune, adottata e rispettata da tutte le nazioni civilizzate; ciò ha permesso di confrontare, con grande precisione, nella stessa unità, tutte le regole per la misurazione delle basi geodetiche e tutte le aste del pendolo che possedevano. Solo quando questa serie di confronti metrologici fu completata con un errore probabile di un millesimo di millimetro, la geodesia poté collegare il lavoro delle diverse nazioni e quindi proclamare il risultato della misurazione del globo. Quando si decise (nel 1872) di creare un nuovo metro standard internazionale, la lunghezza presa fu quella del metro degli archivi "nello stato in cui si trova".

La Convenzione del metro fu firmata nel 1875 a Parigi e fu creato l'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure sotto la supervisione del Comitato internazionale dei pesi e delle misure. Gilberto Govi fu nominato primo direttore dell'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure.

L'Istituto Internazionale di Statistica (IIS) è stato fondato nel 1885 durante il giubileo della Royal Statistical Society, in concomitanza con il 25° anniversario della Società Statistica di Parigi. Le sue origini risalgono a una serie di Congressi Internazionali di Statistica, il primo dei quali fu presieduto da Adolphe Quetelet e si tenne a Bruxelles nel 1853, in seguito alla Grande Esposizione di Londra del 1851, organizzata su iniziativa del Principe Alberto di Sassonia-Coburgo-Gotha, consorte della Regina Vittoria.

Gli 81 membri fondatori dell'ISI costituivano l'élite degli statistici di quell'epoca all'interno delle amministrazioni governative e delle accademie scientifiche. A Roma, nel 1887, l'Associazione Geodetica Internazionale e il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure furono rappresentati alla prima sessione dell'IIS dal loro presidente, Carlos Ibáñez de Ibero, fondatore e primo direttore dell'Istituto di Statistica e Geografia della Spagna, Cavaliere di Gran Croce dell'Ordine della Corona d'Italia, membro della Reale Accademia delle Scienze Esatte, Fisiche e Naturali, membro onorario dell'Accademia Nazionale delle Scienze di Córdoba (Argentina), corrispondente dell'Accademia francese delle Scienze, associato della Accademia reale di scienze, lettere e belle arti del Belgio e membro onorario dell'Accademia Prussiana delle Scienze. Anche l'International Meteorological Organization, fondata in occasione del Congresso Meteorologico Internazionale tenutosi a Roma nel 1879, è un esempio che illustra il ruolo delle prime associazioni scientifiche internazionali nella creazione dell'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure. Il meteorologo e fisico svizzero Heinrich von Wild, il suo primo presidente, fu delegato dalla Russia alla Commissione Internazionale del Metro nel 1870, alla Conferenza Diplomatica del 1875 e, dopo la firma della Convenzione del Metro, al Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure, presieduto da Carlos Ibáñez de Ibero fino al 1891.

L'astronomo e geodeta svizzero Adolphe Hirsch, segretario del Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure e dell'Associazione Geodetica Internazionale, propose nel 1886 che tutte le toise che erano servite come standard geodetici in Europa durante il XIX secolo fossero confrontate presso l'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure con la Toesa del Perù e con il nuovo metro internazionale, in modo che le misurazioni effettuate fino a quel momento potessero essere utilizzate per misurare la Terra. Fu la considerazione delle divergenze tra le diverse toise utilizzate dai geodeti che portò l'Associazione internatzionale di geodesia a considerare, nella riunione della sua Commissione Permanente a Neuchâtel nel 1866, la fondazione di un Istituto Mondiale per il Comparativo degli Standard Geodetici, il primo passo verso la creazione dell'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure.

Il risultato di questi confronti rese possibile ridurre gli archi misurati in Germania al metro. La discrepanza di 1/66.000 che rimaneva tra i triangoli comuni alle reti tedesca e francese poté essere ridotta a 1/600.000, che era al limite della precisione per le operazioni geodetiche dell'epoca. Il valore della toise di Bessel, che secondo il rapporto legale allora accettato tra il metro e la Toesa del Perù, doveva essere pari a 1,9490348 m, risulterà essere 26,2·10⁻⁶ m maggiore durante le misurazioni effettuate da Jean-René Benoît presso l'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure.

Bessel utilizzò una copia della Toesa del Perù costruita nel 1823 da Nicolas Fortin a Parigi. Per ovviare alla difficoltà di determinare con precisione la temperatura di una barra con un termometro a mercurio, Friedrich Wilhelm Bessel, ispirandosi a Jean-Charles de Borda, introdusse nel 1834, vicino a Königsberg, una barra composita che fungeva da termometro metallico. Una barra di zinco veniva posta sopra una barra di ferro lunga due tese; entrambe le barre erano perfettamente piatte e a contatto libero, con la barra di zinco leggermente più corta e rigidamente fissata a un'estremità. Al variare della temperatura, variava anche la differenza di lunghezza delle barre, percepita all'altra estremità, fornendo una correzione quantitativa per le variazioni di temperatura, che veniva applicata per ridurre la lunghezza alla temperatura standard. Durante le misurazioni di riferimento, le barre non dovevano entrare in contatto e l'intervallo veniva misurato inserendo cunei di vetro. I risultati dei confronti tra quattro barre di misura e con i valori di riferimento venivano calcolati meticolosamente utilizzando il metodo dei minimi quadrati.

Nel 1889, la Conferenza generale dei pesi e delle misure si riunì a Sèvres, sede dell'Ufficio internazionale. Essa compì la prima grande impresa dettata dal motto inciso sul frontone dello splendido edificio da cui si sarebbe diffuso il sistema metrico: "A tous les temps, a tous les peuples" (Per tutti i tempi, per tutti i popoli); e questo motto portò all'approvazione e alla distribuzione, tra i governi degli stati che sostenevano la Convenzione del metro, di prototipi di standard di precisione fino ad allora sconosciuta, destinati a propagare l'unità metrica in tutto il mondo.

XX secolo

Già nel 1832, Carl Friedrich Gauss aveva proposto di aggiungere il secondo al sistema metrico, al fine di basare un sistema di unità assolute sulle tre unità fondamentali di lunghezza, massa e tempo. Con i progressi compiuti nel campo della fisica e della metrologia durante il XIX secolo, furono intraprese diverse iniziative per creare un sistema di unità basato su un sistema di grandezze fisiche. Infatti, lo sviluppo dell'elettricità e la ricerca sul campo magnetico portarono alla creazione del sistema CGS, un sistema metrico di unità fisiche basato sul centimetro, sul grammo e sul secondo.

Nel 1901, Giovanni Giorgi dimostrò che era possibile unire le tre unità meccaniche (metro, chilogrammo e secondo) con il sistema delle unità elettriche per formare un unico sistema coerente. Una quarta unità di natura elettrica veniva così aggiunta alle unità di base.

Nel 1921, la Convenzione del Metro fu rivista, consentendo al BIPM di estendere il suo mandato alle unità elettriche e fotometriche. Nel 1948, la CGPM chiese al BIPM di condurre un'indagine internazionale per studiare la creazione di regolamenti completi riguardanti le unità di misura. Questo lavoro fu interrotto dalla Seconda Guerra Mondiale, ma fu convalidato nel 1954 dalla CGPM, che adottò il nuovo sistema basato su metro, chilogrammo, secondo, ampere, kelvin e candela. Questo sistema divenne noto nel 1960 come Sistema internazionale di unità di misura (SI). Il BIPM ne divenne quindi il garante. Per soddisfare le esigenze dell'industria chimica, la CGPM aggiunse una settima unità al SI nel 1971: la mole.

In collaborazione con l'Associazione Geodetica Internazionale, l'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure è diventato il centro di riferimento mondiale per la misurazione delle basi geodetiche grazie alla scoperta dell'invar, una lega di nichel e ferro con un coefficiente di dilatazione termica prossimo allo zero, da parte di Charles Édouard Guillaume.

Nel 1906, prima dell'apertura del tunnel del Sempione, i topografi svizzeri misurarono la distanza tra le stazioni ferroviarie di Briga e Trasquera utilizzando strumenti a filo di invar. Questo metodo fu poi impiegato per il rilevamento e l'allineamento di grandi acceleratori di particelle.