Всё должно быть в меру. Трудно с этим не согласиться. Однако часто сложно найти эту меру. И представьте, каким бы был мир и как бы тяжело было искать золотую середину, если бы мы не придумали килограммы, метры, секунды, вольты, джоули или омы. Как же появились системы мер — в этой теме разобралась Ирина Яременко, член политехнического сообщества студентов-физиков PCPS.
Все началось с того, что людям нужны были некие абстрактные понятия, с помощью которых можно было измерить разные величины. В роли таких мер изначально использовались предметы, которые всегда находятся «под рукой». Так, например, в Древней Греции расстояние измеряли в пальцах, ладонях или шагах, а объем — в кувшинах.
Римляне переняли греческую систему, добавив свои меры: милю — чуть больше полутора километров, унцию — около двадцати восьми граммов, а также минуты и секунды. Позже появились и другие меры, связанные с повседневными объектами: карат — как масса семечка рожкового дерева, дюйм — ширина большого пальца.
Почему мы выбрали граммы вместо унций?
Заметили, что все эти неметрические единицы мы перевели в более привычный метрический вид? Почему мы измеряем длину в метрах, а не в аршинах или саженях? Для объема используем литры, а не галлоны? А масса у нас в килограммах вместо тех же пудов? Все просто: главное преимущество метрической системы перед традиционными системами измерений — в ее упорядоченности, логике и простоте. Для каждой физической величины существует одна основная единица, а все производные образуются единообразно с помощью десятичных приставок: мили, кило, мега.
Это устраняет неудобства старых систем, где использовалось множество разных единиц с неочевидными и сложными правилами перевода между ними. Это было занятие не из легких, особенно когда одна миля — это 1760 ярдов, а в одном галлоне — 4,5 литра.
Откуда у метра ноги растут?
Метрическая система действительно начинается с определения метра. С помощью него позднее вывели остальные единицы измерения: килограмм, литр и так далее. Итак, откуда же у метра ноги растут?
Вообще изначально существовало 2 определения метра. Сначала английский философ Джон Уилкинс в 1790 году предложил использовать в качестве меры длину простого маятника, полупериод малых колебаний которого равен 1 секунде.
Но тут вмешалась гравитация: французский астроном Жан Риш выяснил, что период колебаний увеличивается при приближении к экватору, так как там меньше притяжение Земли.
Так что маятниковый эталон оказался недостаточно точным. Через год после этого Французская академия наук предложила определить метр через часть земного меридиана. 30 марта 1791 года Франция официально приняла это определение. В 1799 году из сплава 90% платины и 10% иридия изготовили эталон метра, длина которого соответствовала одной сорокамиллионной части Парижского меридиана.
В 1960 году, когда весь мир признал специальную теорию относительности Эйнштейна (СТО), эталон метра был пересмотрен. Стандарт базовой единицы международной системы измерения перестает быть изделием человеческих рук. Благодаря СТО всем стало понятно, что свет имеет ограничение по скорости. Так и определили, что 1 метр — это расстояние, проходимое светом в вакууме за одну 299 792 458-ю долю секунды.
А как была определена секунда?
Но ведь для начала нужно определить секунду, не так ли? С квантовой точностью определили ее немного позднее. Исторически секунда была одной 86 400-ой частью суток. Но у этой системы была проблема: продолжительность суток не является константой. Она зависит от орбиты Земли, притяжения Луны и других факторов. Чтобы получить точное и стабильное определение, учёные перешли к атомной физике. С 1967 года и до сих пор, секунда определяется так:
1 секунда соответствует 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (при температуре 0 К и отсутствии внешних воздействий).
Это значит, что если взять атом цезия и «послушать» его при помощи специальных приборов, он «тикнет» ровно 9,192 миллиарда раз в секунду. И каждое такое «тиканье» — это одна и та же квантовая характеристика, не зависящая от условий на Земле. Так появилось атомное время, которое гораздо стабильнее астрономического.
Сначала метр и секунда, а потом уже масса в килограммах, сила в Ньютонах и все остальные.
Отталкиваясь от метра и секунды, были введены и все остальные величины. Так, 1 килограмм — это масса одного кубического дециметра воды. Ньютон (Н) — это килограмм, умноженный на метр и разделенный на секунду в квадрате. Джоуль (Дж) — это Ньютон, умноженный на метр. Этот список можно продолжать еще долго, поэтому лучше перейдем к последнему вопросу.
Почему в мире до сих пор существуют разные системы мер?
Помимо метрической, в мире существует также Американская система мер. Она используется в США, Мьянме, Либерии и частично в Канаде. Когда-то давно США пытались присоединиться к международной системе измерений, но это не прижилось. Возможно, измерение мира в футах, дюймах и милях стало частью быта, от которой невозможно отказаться. А может, дело совсем в другом.
История мер — это путь от ладоней до световых секунд. За привычными метрами и килограммами стоят века проб, ошибок и упрямства. Хотя метрическая система кажется логичной, старые единицы всё ещё используются в некоторых странах. Но как бы ни спорили люди из-за разных систем мер, главное — не перепутать унции с граммами, особенно когда печете торт. Иначе вместо десерта получится научный эксперимент.
📌 Источник: журнал политехнического сообщества студентов-физиков (PCPS) Post Script.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы вам всегда было ясно, сколько вешать в граммах!
Что ещё почитать?