Мы сегодня поговорим про историю системы измерений просто потому что один момент из этой истории отвечает на целую кучу очень распространённых вопросов. Почему литр воды весит один килограмм? Почему вода при замерзании расширяется? Почему при поисках жизни на других планетах ищут именно воду? И даже - почему существуют анекдоты про палату мер и весов?
Началось всё в конце восемнадцатого века во время великой французской революции (которую во времена моего обучения ещё называли по Марксу - буржуазной). Тогда уже как-то стало ясно, что мерять массу камнями, длину попугаями, а площадь дырками от носа - в масштабах кухни, может, и удобно, но вот для международной торговли, инженерии и наук хотелось бы что-то более единое и точное. Самым наглядным примером этого, пожалуй, можно назвать шведскую "Вазу" - корабль, который в 17 веке построили как символ величия Швеции. Замысел был неслабым - самый крупный военный корабль в Европе, непобедимый символ власти Швеции в Балтике, и бла-бла-бла, все мы знаем, как любят бряцать оружием некоторые правители. И вот "Вазу" построили, с большой помпезностью отправили в море - и через двадцать минут она утонула. Среди причин было то, что в постройке участвовали две команды строителей. Шведская бригада строила использовала шведский фут (29,69 см), а голландская бригад пользовалась амстердамским футом (28,31 см). Корабль и так был не самым устойчивым - кораблестроители расположили центр тяжести слишком высоко, а из-за несимметричности ещё и оказался с креном на левый борт. Обычно для тех времён такое было нормой - развитой математики ещё не было, и большие корабли всегда воспринимались как "капризные" и первое время после спуска требовали доработки напильником. Но "Ваза" до этой доработки не дожила - после первого же сильного порыва ветра спустя примерно двадцать минут после начала плавания корабль перевернулся и утонул.
В общем, во время революции французы решили, что пора начинать жить заново не только в плане перехода к демократическим ценностям, но и в плане единиц измерения всяких штук. К девяностым годам восемнадцатого века разработать новую систему подрядили пятерых видных учёных: де Борду, Лагранжа, Лапласа, Монжа и де Кондорсе (и люди, читающие научные статьи уже из фамилий могут понять, насколько большие умы решали эту задачу). Секунда у них уже была - её оставили с древних времён, благо, последние исследования маятников позволяли её довольно точно измерить. Метр измерили по размерам Земли, которые тоже были довольно точно известны. Были разные варианты, но в итоге решили остановиться на расстоянии между полюсами по Парижскому меридиану. Осталось только найти как измерять массу - и в итоге по предложению Лавуазье решили принять один килограмм равным массе одного литра воды при её максимальной плотности (то есть, как и положено всем жидкостям - при температуре замерзания). В 1795 году метрическая система вошла во французские законы.
Правда, уже к 1799 году, когда начали изготавливать эталоны - и для себя, и для рассылки в разные страны, выяснили, что с килограммом вышла небольшая ошибка - в том, что конкретно вода имеет максимальную плотность не при температуре замерзания, а чуть-чуть выше (позже выяснили точное число - 3,98 градусов по Цельсию). Ну, окей, учёные поменяли определение с "плотности воды при нуле градусов" на "максимальную плотность воды", измерили килограмм по-нормальному, и с тех пор он таким и остался - благо, разница с нулём градусов была довольно мизерной - меньше, чем 0,1%. Мы до сих пор это число округляем, когда идём в магазин и считаем, сможем ли мы дотащить пакеты до дома: килограмм гречки это килограмм гречки, а литр сока это килограмм сока, пара граммов туда-сюда роли не играют.
А что же не так с водой получилось-то? Ну, тут можно много говорить про разные способы укладки, дипольные моменты и прочие страшные штуки из химии, но если упростить - то при замерзании хаотичные атомы складываются в кристаллическую решётку. И в случае воды эта решётка строится через водородные связи, сила внутри этих связей довольно маленькая, но она всё-таки есть, и именно это приводит к тому, что внутри этой решётки расстояние между атомами немного больше, чем в случае, когда они просто охлаждены, но расположены слегка хаотично. Свойство это не уникальное, но довольно редкое, так что неудивительно, что обратили на него внимание не сразу.
Поэтому если охлаждать воду - то она будет становиться всё плотнее и плотнее, но в какой-то момент (как раз после 4 градусов Цельсия) в ней начнут образовываться эти самые водородные связи, которые по форме уже близки к кристаллам льда, и плотность начинает уменьшаться.
Мы про это свойство воды вспоминаем обычно, когда говорим о том, что лёд может разорвать бутылку с водой в морозильнике, но на самом деле влияние этого явления гораздо более серьёзное. Дело в том, что именно благодаря ему вода замерзает сверху вниз - плотная вода с температурой 4 градуса становится тяжелее и опускается, а холодная вода с температурой около нуля - поднимается к поверхности, где и замерзает.
Именно это помогло ни много ни мало развиться жизни на нашей планете - всякие водные организмы, от амёб до водорослей, могли переживать холодные периоды в жизни планеты - в океане температура сильно низко не падает - не ниже этих самых четырёх градусов плюс поправка на солёность. А от суровой зимы на поверхности надёжно защищает слой льда какой-то толщины. Живи да радуйся (да эволюционируй по возможности). Так что нам очень повезло, что природа не умеет округлять.
Что касается измерений, то было принято решение постепенно уходить от эталонов и приводить такие определения, при которых любая лаборатория в мире может их повторить, не приезжая с линейкой и весами во Францию. К 1960 году секунду определили по времени на цезиевых часах (потому что маятники были не слишком точными), метр - через скорость света (потому что размер Земли - тоже не слишком точная штука), добавили всякие Амперы, моли, канделы... А вот килограмм так и остался величиной, за единицу которой принят эталон из палаты мер и весов в Париже. От воды его решили отвязать потому что все остальные величины тоже оторваны от конкретных веществ и основаны на общих законах физики (даже цезиевые часы взяты не потому что они цезиевые, а просто потому что их проще всего построить на практике - измерять-то секунды можно и на любых других атомных часах), а вот к чему привязать - долго решить не могли, все варианты были какими-то спорными и не самыми подходящими.
И только благодаря этому у нас долгое время ходил анекдот о том, что лошадиная сила - это сила лошади ростом в один метр и весом в один килограмм, которая хранится в палате мер и весов в Париже.
Изменилось это только ближе к концу двадцатого века, когда учёные измерили эталон килограмма и обнаружили, что за сто лет, прошедших со времени изготовления последнего эталона он "похудел" на несколько микрограммов. Так что было решено наконец-то всё-таки найти определение и для килограмма - последнего из могикан в системе СИ. Затянулся этот процесс аж до 2018 года, когда, наконец, было принято новое определение килограмма - теперь он считается не по эталону, а через постоянную Планка.