onderzoek

Waarom weegt een liter water een kilo? Tien belangrijke momenten in de geschiedenis van de meting

Geen enkel wetenschapsgebied is zo grootde kloof tussen herkenning en belang, zoals in de metrologie. En het gaat niet om het weer. Metrologie is de wetenschap van meten. Het heeft een langere geschiedenis dan de moderne wetenschap op school onderwees, en dit is belangrijk voor alle bruikbaarheid en kracht van de wetenschap. Zonder de metrologie van het geluid zouden er geen vluchten naar de maan zijn geweest, de moderne geneeskunde, zelfrijdende auto's, honkbalanalisten en weersvoorspellingen (in ieder geval goed).

En zelfs zonder wetenschap, metrologie voorAl duizenden jaren heeft het zijn waarde bewezen ten dienste van handel en commercie, waardoor gewichten en productievolumes en andere producten kunnen worden gestandaardiseerd om fraude en misleiding voor fraudeurs en bedriegers moeilijker te maken.

Wat is metrologie en waarom is het nodig?

20 mei werd gekenmerkt door de laatste grens in de langede geschiedenis van de metrologie, toen officieel de nieuwe definities van enkele van de belangrijkste meeteenheden van de wetenschap, inclusief kilogrammen, de standaard massamaatstaf werden aangenomen. Deze veranderingen weerspiegelen de herziening van de zogenaamde Le Système International d'Unites (ook bekend als SI), de moderne versie van het metrieke stelsel. In overeenstemming met de richtlijnen van het Internationaal Bureau voor Gewichten en Meetmiddelen, omvat de SI zeven "fundamentele" maateenheden waaruit andere maateenheden worden geëxtraheerd. Naast de kilogram omvatten de nieuwe gedefinieerde basismaateenheden ook kelvin (temperatuur), ampères (elektrische stroom) en mol (hoeveelheid stof). De tweede (tijd), meter (lengte) en candela (lichtsterkte) zijn ongewijzigd gebleven.

De nieuwste SI-upgrade isvooruitgang in de wetenschap, maar dit is slechts de laatste van verschillende historische mijlpalen op het gebied van metrologie. Laten we naar de tien belangrijkste keerpunten in de metrologie kijken.

De uitvinding van anatomische eenheden (lang geleden)

Anatomische eenheden verschenenhet begin van de menselijke beschaving, misschien op het moment van de opkomst van de landbouw. Eenheden van volumemeting, zoals "slokje" en "handvol", gingen vooraf aan het verschijnen van "theelepeltjes", "kopjes" en "pinten". In het geval van lengte verscheen er een menselijke "voet" of "stap" samen met een persoon. Op verschillende tijdstippen, van de oude Egyptenaren tot de latere moderne samenleving van de 1700s, was de "voet" 10-14 inch.

Onder andere anatomische eenhedenDe "elleboog" werd veel gebruikt. De eerste vermeldingen kwamen uit het Midden-Oosten, ook in het Gilgamesj-epos, dat in 2000 voor Christus werd geboren. De elleboog als lengtemaat was erg handig bij het maken van arks.

En het kan zijn dat "dubbele elleboog"veranderd in een tuin. Koning Hendrik I van Engeland, die regeerde in 1100-1135, probeerde een tuin te standaardiseren en definieerde deze als de lengte van het puntje van de neus tot het uiteinde van de duim (met een uitgestrekte hand). Uiteindelijk werd het erf drie voet, voet - 12 inch, een inch werd gedefinieerd als de lengte van drie langgerekte gerstkorrels. Anatomische meeteenheid werd geboren uit de botanische.

Magna Carta Magna Carta, 1215

Een van de belangrijkste documenten in de geschiedenis.de behoefte aan metrologie voor de toekomst van de beschaving vastgesteld, en drong erop aan dat "in het hele koninkrijk moeten standaard maatregelen van wijn, ale en maïs", en hetzelfde voor schalen. In de loop van de volgende eeuwen werkte het door het boomstronk, maar het principe was duidelijk genoeg en metrologen, die later kwamen, deden uitstekend werk en bereikten het doel dat in Magna Carta werd gesteld.

Koningin Elizabeth I hervormt de schaal, 1588

Terwijl haar vloot bezig was met de vernietiging van de SpanjaardenArmada, koningin Elizabeth I van Engeland was druk bezig met het vaststellen van meer rationele regels voor gewichten en maatregelen. Daarvoor hadden de Britse handelaren te maken met een heleboel verschillende soorten pond, waarvan het pond "averdupoys". De andere - het "toren" pond - werd door Henry VIII in 1527 afgeschaft ten gunste van het troy pond voor gebruik in valuta (daarom zijn pond nog steeds de Engelse valuta, zelfs wanneer ze van papier zijn gemaakt).

Elizabeth I heeft het standaard pond vastgesteldvoor de meeste toepassingen, troy pond sparen voor munten (en medicijnen). Ze vroeg de mensen echter een slimme vraag: wat weegt meer, een pond goud of een pond lood? Intelligent antwoord vaak: haha, geen van beide. Pond is pond. Maar degenen die voldoende bekend zijn met de metrologie zullen "lead" zeggen, omdat een pond averductie meer weegt dan een troy pond. Als je echter zegt dat een ons lood meer weegt dan een ons goud, zul je ook fout gaan. Troy ounce of gold is heavier. Pond averdupe is zwaarder omdat het 16 gram bevat, en in troy pond slechts 12 troy ounces.

Pendelklok van Christian Huygens, 1656

Velen (onder hen, en Galileo) probeerden zich om te draaienmet slingers als klok, maar de Nederlandse natuurkundige en wiskundige Christian Huygens bouwde de eerste betrouwbare slingeruurwerk. De vroegste versie, gebouwd in 1656, werkte met een nauwkeurigheid van 15 seconden per dag, wat de grootste verbetering is voor die tijd. De verdere ontwikkeling van de slingerklokken maakte hen tot de 20e eeuw de meest accurate klokken.

Metrisch systeem, 1799

In de 17e eeuw herkenden enkele slimme wetenschappers datdat het decimale systeem van meeteenheden aanzienlijk beter zou zijn voor wetenschap en commercie dan de toenmalige warboel van eenheden die van land tot land varieerden. Of zelfs binnen hetzelfde land - sommigen suggereren dat een van de redenen voor de Franse revolutie de ontevredenheid van de mensen was met de onvoldoende uniformiteit van maten en gewichten.

In de 1670s, een Franse predikantGabriel Mouton en astrono Jean Picard bespraken het creëren van een basiseenheid van lengte met een slingergrootte met een periode van 2 seconden. (Dit is relatief dicht bij de moderne meter, maar helaas verschilt de rollende periode van de slinger op verschillende plaatsen op het aardoppervlak). Maar in de jaren 1790, toen de Fransen serieus nadachten over de creatie van het metrieke stelsel, bestempelden ze de meter als 1/10 miljoen afstand van de evenaar tot de Noordpool. Andere meeteenheden zijn al van meter naar gram (eenheid van massa) gegaan, gelijk aan de massa van een kubieke centimeter water, bijvoorbeeld.

Het metrieke stelsel had zijn gebreken, maarhet maakte de meting veel rationeler en normaler dan ooit tevoren. Tegenwoordig gebruiken alleen achtergebleven landen (zoals Liberia, Myanmar en nog een) geen SI (System International).

Oprichting van het Internationaal Bureau voor gewichten en maatregelen, 1875

Convention du Mètre richtte in 1875 een bureau opmaten en gewichten als arbiter voor het oplossen van problemen met betrekking tot meeteenheden; De overeenkomst werd ondertekend door 17 landen. In het contract stond dat het bureau de productie van standaard prototypen van meter en kilogram zou gaan uitvoeren. Dit was een belangrijke stap in de richting van wijdverspreid gebruik van het metrieke stelsel over de hele wereld.

Kelvin Temperatuurschaal

Tot de 19e eeuw was de temperatuur een glad concept -Thermometers gebruikten willekeurige meeteenheden, die het mogelijk maakten om te meten welk ding heter was dan een ander, maar het ons niet lieten bepalen hoe heet het was. In 1848 stelde William Thomson, die Lord Kelvin werd, voor om de principes van de nieuwe wetenschap van de thermodynamica toe te passen om een ​​rationele "absolute" temperatuurschaal te ontwikkelen die een nulpunt zou opleveren dat overeenkomt met de volledige afwezigheid van warmte. Het duurde enige tijd voordat de thermodynamica volgroeid was en het werd duidelijk welke schaal moest worden gemaakt, maar de thermometrie had een solide basis. Temperatuureenheden werden genoemd naar Kelvin en werden bekend als Kelvin, en niet als 'Kelvin-graden', zoals eerder.

Michelson-interferometer

Albert michelson was geobsedeerd met metende snelheid van het licht, en in de late jaren 1870, gemeten het nauwkeuriger dan iemand anders. Kort daarna besefte hij dat hij kleine verschillen in de snelheid van het licht kon detecteren, veroorzaakt door de beweging van de aarde door de ether. Hiervoor heeft hij de interferometer uitgevonden. Hij verdeelde de lichtstraal in twee paden, loodrecht op elkaar en verbond vervolgens de twee stralen met behulp van spiegels. Het verschil in snelheid tussen de twee paden van licht betekende dat de golven van het licht konden buigen, waardoor een interferentiepatroon ontstond. Michelson en zijn collega Edward Morley voerden een experiment uit in 1887 en konden de verwachte interferentie niet detecteren. Maar dit was te wijten aan het feit dat de ether niet bestaat. Interferometrie was een geweldig idee en werd een waardevol hulpmiddel voor een verscheidenheid aan metrologische taken.

lasers

De ontdekking van lasers in de jaren 1960 gemaaktInterferometrie is zelfs nauwkeuriger als gevolg van laserregeling van de golflengte van licht. Lasers zorgden dus niet alleen voor de realisatie van science-fiction ray-throwers, maar werden ook al snel het beste meetinstrument in de geschiedenis. Lasers hebben het mogelijk gemaakt om een ​​optische klok te maken die duizenden malen nauwkeuriger is dan de slingerklok van Huygens. Laser-metrologie hielp bevestigen dat de motoren van vliegtuigen en auto's precies volgens de ontwerpspecificaties worden vervaardigd.

Bovendien wordt laserinterferometrie gebruikt om gravitatiegolven te detecteren.

Herziening van de basiseenheden, 2019

In 1983 hebben de koningen van metrologie de meter herzientermen van hoe ver licht kan reizen per seconde. Dit was het begin van de herdefinitie van andere meeteenheden, gebaseerd op fundamentele fysica. Kelvin, bijvoorbeeld, wordt nu gedefinieerd door een constante op basis van kilogram, meter en seconde. De kilogram wordt nu bepaald door de waarde van de kwantumfysica - de constante Planck - en de definities van meter en seconde. Seconden zijn nog steeds gebaseerd op de straling die wordt uitgezonden in een bepaald proces van een bepaald cesiumatoom. Metrologie is nu niet alleen gestandaardiseerd over de hele planeet - maar over alle planeten in alle sterrenstelsels, ongeacht de afstand.

Maar we zijn nog niet op een manier gekomen om de nauwkeurigheid van de rangschikking van metrologische referentiepunten nauwkeurig te meten, dus u kunt het doen. En vergeet niet om in onze chatroom in Telegram te kijken.