изследване

Защо литър вода тежи един килограм? Десет важни моменти в историята на измерването

Нито една област на науката не е толкова голямаразликата между признание и значение, както в метрологията. И не става въпрос за времето. Метрологията е наука за измерване. Тя има по-дълга история, отколкото съвременната наука преподава в училище, и това е важно за цялата полезност и сила на науката. Без здрава метрология нямаше да има полети до Луната, модерна медицина, автомобили, управляващи се, бейзболни анализатори и прогнози за времето (все пак).

И дори без наука, за метрологиятаВ продължение на хиляди години тя е доказала своята стойност в търговията и търговията, като гарантира, че теглата и обемите на производство и други продукти могат да бъдат стандартизирани, за да се направи измамата и измамниците по-трудни за измама и измама.

Какво е метрология и защо е необходима?

20 май бе белязана от последната граница в дългосрочен планисторията на метрологията, когато официално са приети новите определения на някои от най-важните единици за измерване на науката, включително килограми, стандартната мярка за маса. Тези промени отразяват преразглеждането на т.нар. Le Système International d’Unites (известен още като SI), модерната версия на метричната система. В съответствие с насоките на Международното бюро по тежести и мерки, SI включва седем „основни“ мерни единици, от които се извличат други мерни единици. В допълнение към килограма, новите дефинирани базови мерни единици включват келвин (температура), ампери (електрически ток) и mol (количество вещество). Вторият (време), метър (дължина) и кандела (светлинен интензитет) остават непроменени.

Най-новият ъпгрейд на SI енапредък в науката, но това е само последната от няколко исторически забележителности в областта на метрологията. Нека да разгледаме десетте най-важни повратни точки в метрологията.

Изобретението на анатомични единици (отдавна)

Появиха се анатомични единицизората на човешката цивилизация, може би по времето на появата на селското стопанство Единици за измерване на обема, като „глътка“ и „шепа“, предшестваха появата на „чаени лъжички“, „чаши“ и „пинти“. В случай на дължина, човешко „стъпало“ или „стъпка“ се появява заедно с човек. В различни времена, от древните египтяни до по-късното модерно общество от 1700-те, "кракът" е бил 10-14 инча.

Сред другите анатомични единициШироко се използва „лакът“. Първите споменавания идват от Близкия изток, също в Епоса за Гилгамеш, който е роден през 2000 г. пр. Хр. Коляното като мярка за дължина е много удобно при конструирането на дъги.

И може да е така, че "двойният лакът"превърната в двор. Английският крал Хенри I, който управлявал през 1100-1135, се опитал да стандартизира двора, определяйки го като дължина от върха на носа до края на палеца (с протегната ръка). В крайна сметка, дворът стана три фута, фута - 12 инча, един инч се определя като дължина на три ечемичени зърна удължени. Анатомична единица за измерване е родена от ботаническата.

Магна харта Магна Харта, 1215

Един от най-важните документи в историята.установи необходимостта от метрология за бъдещето на цивилизацията и настоя, че "в цялото царство трябва да има стандартни мерки за вино, ейл и царевица", както и за везни. През следващите няколко века тя работи през палубата, но принципът е достатъчно ясен и метролозите, които дойдоха по-късно, свършиха отлична работа и постигнаха целта, поставена в Magna Carta.

Кралица Елизабет I реформира везната, 1588

Докато нейната флота се занимава с унищожаването на испанцитеАрмада, кралица Елизабет I на Англия е заета с по-рационални правила за тежести и мерки. Преди това британските търговци се занимавали с куп различни видове паунда, от които паундът „averdupoys“. Другият - „кулата“ - беше премахнат от Хенри VIII през 1527 г. в полза на тройната лира за използване във валута (следователно, паунда са все още английската валута, дори когато са направени от хартия).

Елизабет установи стандартния паундза по-голямата част от заявленията, спестявайки тройка лири за монети (и наркотици). Въпреки това, тя попита хората умен въпрос: какво тежи повече, половин килограм злато или половин килограм олово? Интелигентите често отговарят: хаха, нито едното, нито другото. Паундът е паунд. Но онези, които са достатъчно запознати с метрологията, ще кажат „олово“, защото един килограм отклонение тежи повече от тройка лири. Но ако кажете, че една унция олово тежи повече от една унция злато, вие също ще се объркате. Троянката на златото е по-тежка. Фунтът averdupe е по-тежък, защото съдържа 16 унции, а в тройките едва 12 тройунции.

Часовник с махало на Кристиан Хюйгенс, 1656

Много (сред тях и Галилео) се опитаха да се обърнатс махала като часовник, но холандският физик и математик Кристиан Хюйгенс построи първия надежден часовник с махало. Най-ранната му версия, построена през 1656 г., работи с точност от 15 секунди на ден, което е най-голямото подобрение за тези времена. По-нататъшното развитие на часовниците с махалото ги прави най-точните часовници до 20-ти век.

Метрична система, 1799

През 17-ти век някои проницателни учени признахаДесетичната система от мерни единици би била значително по-добра за науката и търговията, отколкото тогавашната бъркотия от единици, които варират от страна до страна. Или дори в рамките на една и съща страна - някои предполагат, че една от причините за Френската революция е недоволството на хората от недостатъчната еднородност на мерките и тежестите.

През 1670 г. френски свещеникГабриел Мутон и астроно Жан Пикар обсъдиха създаването на базова единица с дължина с махало с период от 2 секунди. (Това е относително близо до съвременния метър, но, за съжаление, периодът на подвижност на махалото се различава на различни места по повърхността на Земята). Но през 1790-те години, когато французите сериозно обмислят създаването на метричната система, те определят метъра като 1/10 милиона разстояние от екватора до Северния полюс. Други мерни единици вече са преминали от метър на грам (единица маса), приравнена на масата на кубичен сантиметър вода, например.

Метричната система имаше своите недостатъци, ноправи измерването много по-рационално и стандартно, отколкото преди. Днес само изостаналите страни (като Либерия, Мианмар и още една) не използват СИ (System International).

Създаване на Международно бюро за тежести и мерки, 1875

През 1875 г. конвенцията създава бюромерки и тежести като арбитър за решаване на въпроси, свързани с мерните единици; Споразумението бе подписано от 17 държави. В договора се посочва, че бюрото ще предприеме производството на стандартни прототипи на метър и килограм. Това беше важна стъпка към широкото използване на метричната система по света.

Температурна скала на Келвин

До 19-ти век температурата е била хлъзгава -Термометрите използват произволни мерни единици, които позволяват да се измери кое е по-горещо от друго, но не ни позволяват да определим колко е горещо. През 1848 г. Уилям Томсън, като станал лорд Келвин, предложил да приложи принципите на новата наука за термодинамиката, за да разработи рационална "абсолютна" температурна скала, която да установи нулева точка, съответстваща на пълната липса на топлина. Отне известно време, преди термодинамиката да узрее и стана ясно какво трябва да се направи, но термометрията има солидна основа. Температурните единици бяха кръстени на Келвин и станаха известни като Келвин, а не „Келвин градуса“, ​​както преди.

Интерферометър на Майкелсън

Алберт Микелсън беше обсебен от измерванескоростта на светлината, и в края на 1870-те, я измерва по-точно, отколкото всеки друг. Скоро след това той осъзнал, че може да открие малки разлики в скоростта на светлината, причинена от движението на Земята през етера. За това той изобретява интерферометъра. Той раздели светлинния лъч на два пътя, перпендикулярни един на друг, и след това свързал двете греди с помощта на огледала. Разликата в скоростта между двата пътя на светлината означаваше, че вълните на светлината можеха да се огънат, създавайки интерференчна картина. През 1887 г. Майкелсън и неговият колега Едуард Морли проведоха експеримент и не успяха да открият очакваната намеса. Но това се дължи на факта, че етерът не съществува. Интерферометрията е страхотна идея и се превръща в ценен инструмент за различни метрологични задачи.

лазери

Откриването на лазери през 60-те години на миналия векИнтерферометрията е още по-точна поради лазерния контрол на дължината на вълната на светлината. По този начин лазерите не само осигуряват реализацията на лъчезаписчици, но и бързо се превръщат в най-добрия инструмент за измерване в историята. Лазерите направиха възможно да се създаде оптичен часовник, който е хиляди пъти по-точен от часовника на махалото на Хюйгенс. Лазерната метрология помогна да се потвърди, че двигателите на самолетите и автомобилите ще бъдат произведени точно в съответствие с проектните спецификации.

Освен това, за откриване на гравитационни вълни се използва лазерна интерферометрия.

Преразглеждане на основните мерни единици, 2019

През 1983 г. царете на метрологията преразгледаха метъраусловия за това колко светлина може да пътува в секунда. Това е началото на предефинирането на други мерни единици, основани на фундаментална физика. Келвин, например, сега се определя от константа, базирана на килограм, метър и втора. Сега килограмът се определя от стойността на квантовата физика - константата на Планк - и дефинициите на метър и втора. Секундите все още се основават на радиацията, излъчвана в определен процес на определен цезиев атом. Метрологията сега не е просто стандартизирана в цялата планета - но по всички планети във всички галактики, независимо от разстоянието.

Но все още не сме измислили начин за точно измерване на точността на класирането на метрологичните референтни точки, така че можете да го направите. И не забравяйте да погледнете в нашата чат стая в Telegram.