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

Ни в одной области наук нет такой большой пропасти между признанием и важностью, как в метрологии. И дело не в погоде. Метрология — это наука об измерениях. У нее более длинная история, чем у современных наук, преподаваемых в школе, и это важно для всей полезности и силы науки. 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?

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. Эти изменения отражают пересмотр так называемой Le Système International d’Unites (она же СИ), современной версии метрической системы. В соответствии с указаниями Международного бюро мер и весов, СИ включает семь «фундаментальных» единиц измерения, из которых извлекаются другие единицы измерения. Помимо килограмма, новые определенные базовые единицы измерения включают кельвин (температура), ампер (электрический ток) и моль (количество вещества). Неизменными остались секунда (время), метр (длина) и кандела (сила света).

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

Изобретение анатомических единиц (давным-давно)

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

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

И может быть так, что «двойной локоть» превратился в ярд. 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). В конечном итоге ярд стал тремя футами, фут — 12 дюймами, дюйм определили как длину трех зерен ячменя, вытянутых по длине. Анатомическая единица измерения родилась из ботанической.

Великая хартия вольностей (Magna Carta), 1215

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. 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.

Королева Елизавета I реформирует систему весов, 1588 год

Пока ее флот был занят уничтожением испанской армады, английская королева Елизавета I была занята установлением более рациональных правил для весов и мер. До этого английские торговцы имели дело с кучей разных видов фунтов, из которых сохранился фунт «эвердьюпойс». 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).

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

Маятниковые часы Кристиана Гюйгенса, 1656 год

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

Метрическая система, 1799 год

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. 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 1670-х годах французский священнослужитель Габриэль Мутон и астроно Жан Пикард обсудили создание базовой единицы длины с длиной маятника с периодом 2 секунды. (Это относительно близко к современному метру, но, к сожалению, период качения маятника различается в разных местах поверхности Земли). 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. Другие единицы измерения уже пошли от метра — грамм (единица массы) приравняли к массе кубического сантиметра воды, например.

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

Создание Международного бюро мер и весов, 1875 год

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

Температурная шкала Кельвина

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. 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. Потребовалось некоторое время, прежде чем термодинамика созрела и стало понятно, какую шкалу нужно сделать, но у термометрии появился прочный фундамент. Единицы измерения температуры получили название в честь Кельвина и стали называться кельвинами, а не «градусами Кельвина», как раньше.

Интерферометр Майкельсона

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

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

Кроме того, лазерная интерферометрия используется для обнаружения гравитационных волн.

Пересмотр основных единиц измерения, 2019 год

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

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