Hi-Tech

Почему литр воды весит килограмм? Десять важнейших моментов в истории измерений

И дело не в погоде. Ни в одной области наук нет такой большой пропасти между признанием и важностью, как в метрологии. У нее более длинная история, чем у современных наук, преподаваемых в школе, и это важно для всей полезности и силы науки. Метрология — это наука об измерениях. Без звуковой метрологии не было бы полетов на Луну, современной медицины, самоуправляемых автомобилей, аналитики бейсбола и прогнозов погоды (хороших, во всяком случае).

И даже без науки метрология на протяжении тысячелетий доказывала свою пользу на службе торговли и коммерции, гарантируя, что веса и объемы производства и другие продукты можно стандартизировать так, чтобы сделать мошенничество и обман труднее для мошенников и обманщиков.

Что такое метрология и зачем она нужна?

Эти изменения отражают пересмотр так называемой Le Système International d’Unites (она же СИ), современной версии метрической системы. 20 мая был отмечен последний рубеж в длинной истории метрологии, когда официально приняли новые определения некоторых наиболее важных единиц измерения науки, включая килограмм, стандартную меру массы. Помимо килограмма, новые определенные базовые единицы измерения включают кельвин (температура), ампер (электрический ток) и моль (количество вещества). В соответствии с указаниями Международного бюро мер и весов, СИ включает семь «фундаментальных» единиц измерения, из которых извлекаются другие единицы измерения. Неизменными остались секунда (время), метр (длина) и кандела (сила света).

Давайте рассморим десятку важнейших поворотных моментов в метрологи. Последняя модернизация СИ представляет собой прогресс в науке, но это лишь последний из нескольких исторических ориентиров в области метрологии.

Изобретение анатомических единиц (давным-давно)

Единицы измерения объема, такие как «глоток» и «горсть», предшествовали появлению «чайных ложек», «чашек» и «пинт». Анатомические единицы измерения появились еще на заре человеческой цивилизации, возможно, в момент появления сельского хозяйства. В разное время, от древних египтян до более позднего современного общества 1700-х «фут» был равен 10-14 дюймам. В случае с длиной, человеческий «фут» или «шаг» появились вместе с человеком.

Первые его упоминания пришли с Ближнего Востока, также в «Эпосе о Гильгамеше», который родился в 2000 году до н.э. Среди других анатомических единиц измерения широко использовался «локоть». Локоть как мера длины был очень удобен в строительстве ковчегов.

Король Англии Генрих I, который правил в 1100-1135 годах, попытался стандартизировать ярд, определив его как длину от кончика носа до конца большого пальца (с вытянутой рукой). И может быть так, что «двойной локоть» превратился в ярд. Анатомическая единица измерения родилась из ботанической. В конечном итоге ярд стал тремя футами, фут — 12 дюймами, дюйм определили как длину трех зерен ячменя, вытянутых по длине.

Великая хартия вольностей (Magna Carta), 1215

В течение следующих нескольких столетий работало это через пень-колоду, но принцип был достаточно ясен и метрологи, которые пришли позже, проделали отличную работу и достигли цели, поставленной в Magna Carta. Один из самых важных документов в истории установил необходимость метрологии для будущего цивилизации и настоял на том, что «во всем королевстве должны быть стандартные меры вина, эля и кукурузы», и то же самое для весов.

Королева Елизавета I реформирует систему весов, 1588 год

До этого английские торговцы имели дело с кучей разных видов фунтов, из которых сохранился фунт «эвердьюпойс». Пока ее флот был занят уничтожением испанской армады, английская королева Елизавета I была занята установлением более рациональных правил для весов и мер. Другой — «башенный» фунт — был отменен Генрихом VIII в 1527 году в пользу тройского фунта для использования в валюте (поэтому фунты все еще остаются английской валютой, даже когда сделаны из бумаги).

При этом она задала людям умный вопрос: что весит больше, фунт золота или фунт свинца? Елизавета I установила стандартный фунт эвердьюпойс для большинства применений, сохранив тройский фунт для монет (и лекарств). Фунт есть фунт. Сообразительные часто отвечают: ха-ха, ни то, ни другое. Однако если вы скажете, что унция свинца весит больше унции золота, вы так же ошибетесь. Но те, кто достаточно разбирается в метрологии, скажут «свинец», потому что фунт эвердьюпойс весит больше тройского фунта. Фунт эвердьюпойс тяжелее, потому что содержит 16 унций, а в тройском фунте всего 12 тройских унций. Тройская унция золота тяжелее.

Маятниковые часы Кристиана Гюйгенса, 1656 год

Его самая ранняя версия, построенная в 1656 году, работала с точностью до 15 секунд в день, что является самым большим улучшением для тех времен. Многие (среди них и Галилей) пытались обращаться с маятниками в качестве часов, но голландский физик и математик Кристиан Гюйгенс построил первые надежные маятниковые часы. Дальнейшее развитие маятниковых часов сделало их самыми точными часами до 20 века.

Метрическая система, 1799 год

Или даже внутри одной и той же страны — некоторые предполагают, что одной из причин Французской революции было недовольство людей недостаточном единообразием мер и весов. В 17 веке некоторые прозорливые ученые признали, что десятичная система единиц измерения будет значительно лучше для науки и торговли, чем тогдашняя мешанина единиц, которые варьировались от страны к стране.

(Это относительно близко к современному метру, но, к сожалению, период качения маятника различается в разных местах поверхности Земли). В 1670-х годах французский священнослужитель Габриэль Мутон и астроно Жан Пикард обсудили создание базовой единицы длины с длиной маятника с периодом 2 секунды. Другие единицы измерения уже пошли от метра — грамм (единица массы) приравняли к массе кубического сантиметра воды, например. Но в 1790-х годах, когда французы всерьез задумались над созданием метрической системы, они обозначили метр как 1/10 000 000 расстояния от экватора до Северного Полюса.

Сегодня только отсталые страны (такие как Либерия, Мьянма и еще одна) не используют СИ (Систему Интернешнл). У метрической системы были свои недостатки, но она сделала измерение намного более рациональным и стандартным, чем было до этого.

Создание Международного бюро мер и весов, 1875 год

В договоре указывалось, что бюро возьмет на себя производство стандартных прототипов метра и килограмма. Convention du Mètre в 1875 году установила бюро мер и весов как арбитра по разрешению вопросов, касающихся единиц измерения; соглашение подписали 17 стран. Это был важный шаг в направлении широкого использования метрической системы по всему миру.

Температурная шкала Кельвина

В 1848 году Уильям Томсон, став лордом Кельвином, предложил применить принципы новой науки о термодинамике для разработки рациональной «абсолютной» температурной шкалы, которая установила бы нулевую точку, соответствующую полному отсутствию тепла. До 19 века температура была скользким понятием — термометры использовали произвольные единицы измерения, которые позволяли измерять, какая вещь горячее другой, но не давали определить, насколько она горячее. Единицы измерения температуры получили название в честь Кельвина и стали называться кельвинами, а не «градусами Кельвина», как раньше. Потребовалось некоторое время, прежде чем термодинамика созрела и стало понятно, какую шкалу нужно сделать, но у термометрии появился прочный фундамент.

Интерферометр Майкельсона

Вскоре после этого он понял, что может обнаружить небольшие различия в скорости света, вызванные движением Земли через эфир. Альберт Майкельсон был одержим измерением скорости света, и в конце 1870-х годов измерил ее точнее, чем кто-либо другой. Он разделял луч света на два пути, перпендикулярных друг другу, и затем соединял эти два луча с помощью зеркал. Для этого он изобрел интерферометр. Майкельсон и его коллега Эдвард Морли провели эксперимент в 1887 году и не смогли обнаружить ожидаемую интерференцию. Разница скорости между двумя путями света означала, что волны света могут искривляться, создавая интерференционную картину. Интерферометрия была прекрасной идеей и стала ценным инструментом для самых разных метрологических задач. Но это было связано с тем, что эфира не существует.

Лазеры

Таким образом, лазеры не только обеспечили реализацию научно-фантастических лучеметов, но и быстро стали самым лучшим инструментом измерения в истории. Открытие лазеров в 1960-х годах сделало интерферометрию еще более точной, благодаря лазерному контролю длины волны света. Лазерная метрология помогла подтвердить, что двигатели самолетов и автомобилей будут производиться в точности по спецификациям дизайна. Лазеры позволили создать оптические часы, которые в тысячи раз точнее маятниковых часов Гюйгенса.

Кроме того, лазерная интерферометрия используется для обнаружения гравитационных волн.

Пересмотр основных единиц измерения, 2019 год

С этого началось переопределение других единиц измерения, основанное на фундаментальной физике. В 1983 году цари метрологии пересмотрели метр с точки зрения того, как далеко может путешествовать свет в секунду. Килограмм теперь определяется значением квантовой физики — постоянной Планка — и определениями метра и секунды. Кельвин, например, теперь определяется постоянной, основанной на килограмме, метре и секунде. Метрология теперь не просто стандартизована по всей планете — но и по всем планетам во всех галактиках, вне зависимости от расстояния. Секунды все еще основана на излучении, испущенном в особом процессе определенного атома цезия.

И не забудьте заглянуть в наш чат в Телеграме. Но способа точно измерить правильность ранжирования метрологических ориентиров пока не придумали, так что можете этим заняться.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть