Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 5

Мабуть, першими в історії вимірюваннями були вимірювання довжини. Саме на їх прикладі можна побачити, що провести вимірювання – це порівняти значення вимірюваної величини з відповідною еталонною мірою цієї величини. (Нагадаємо, що еталон – це зразкова міра, яка призначена для відтворення, збереження та передачі одиниці вимірювання з максимальною точністю.)

Інакше кажучи, вимірювання – це виявлення того, скільки разів у вимірюваній величині вкладається певна одиниця вимірювання.

Наприклад, у Давньому Єгипті вимірювану довжину порівнювали з царським ліктем (близько 52,5 см) та малим ліктем (близько 45 см). А ось лікоть у Вавилоні становив приблизно 54 см. (Звичайно, для того, щоб ми мали уявлення про стародавні одиниці довжини, зараз ми їх виразили за допомогою одиниці, яку застосовуємо сьогодні, – сантиметра.)

Ну як, вам подобаються такі «еталони»? Спробуйте, використовуючи лікоть кожного з членів вашої родини (батька, мами, брата або сестри, бабусі і т. д.) для вимірювання, наприклад, довжини стола. Звичайно, ви здогадалися, що значення результатів цих вимірювань різнитимуться і що це дуже й дуже незручно.

Тут, напевно, ви пригадаєте знаменитий мультфільм про тридцять вісім папуг. Пам’ятаєте, як друзі намагалися визначити довжину удава різними мірками: мавпочками та папугами?

У Давній Русі для вимірювання довжини теж використовували цікаві одиниці. Порівняно з сучасними одиницями метричної системи значення цих одиниць такі:

1 вершок = 4,45 см,

1 аршин = 16 вершків = 71,120 см,

1 сажень = 3 аршини = 2,1336 м,

1 верста = 500 сажнів = 1,0668 км.

У Сполучених Штатах Америки та Великій Британії досить довго були поширені такі міри довжини:

1 дюйм = 2,54 см,

1 фут = 12 дюймів = 30,48 см,

1 ярд = 3 фути = 36 дюймів = 0,9144 м.

Оскільки у нас застосовується саме метрична система (або, як її зараз називають, SI – Система Інтернаціональна), треба пригадати, як саме вона та, зокрема, її основні одиниці з’явилися.

Уперше слово «метр» як найменування одиниці довжини застосував Тит Буратіні в книзі «Універсальна міра» в 1675 р. Тоді за одиницю довжини він пропонував узяти довжину нитки маятника, який робить одне коливання за одну секунду (цей маятник так і називають – секундний). Але в ті роки ця міра поширеною так і не стала.

Наприкінці XVIII ст. в Європі було близько сотні різних «футів», десятки різних «миль», різні «фунти», що дуже заважало торговельним справам. У 1789 р. торговельні центри Франції звернулися до уряду з проханням про введення однакових одиниць вимірювання.

У 1791 році Національними зборами Франції було створено спеціальну комісію з підготовки нової системи вимірювання. До складу комісії ввійшли П’єр Симон Лаплас, Лагранж, Гаспар Монж та ін.

Комісія запропонувала за одиницю довжини прийняти довжину, що дорівнює одній десятимільйонній частині чверті довжини Паризького меридіана (або відразу – 1/40000000довжини меридіана). Саме цю одиницю й назвали метром.

Цікаво, що в головному маніфесті комісії була проголошена така ідея – треба створити нову систему вимірювання:

1) яка повинна ґрунтуватися на «незмінному прототипі, який взято з природи, щоб її могли взяти всі нації»;

2) яка побудована на десятковій системі, що відповідає десятковій системі числення і тому спрощує розрахунки.

(До речі, саме тією комісією було прийняте визначення 1 секунди як 1/86400 частки сонячної доби, а також визначення одиниці маси, про що йтиметься нижче.)

Для вимірювання довжини дуги меридіана зібралася експедиція, до якої ввійшли астрономи та геодезисти (спеціалісти з вимірювань відстаней та кутів на Землі). Протягом кількох років (з 1792 по 1799 рр.) проводилися вимірювання частини меридіана між Дюнкерком та Барселоною (приблизно 1000 км).

На основі вимірювань дуги меридіана було виготовлено еталон метра, так званий «архівний метр» (практично одночасно з цим було виготовлено ще й «архівний кілограм»). Цей еталон метра було зроблено з платини; саме його віддали для збереження до Національного архіву Французької республіки (звідки й походить його назва «архівний метр», або «метр архіву»), а копії цього еталону було передано до Бюро мір і вагів.

Пізніше, у 1799 р., виявилося, що цей архівний метр коротше на 0,08 мм більш точно виміряної дуги земного меридіана! Але через те, що метрична система мір уже значно поширилася, було вирішено облишити прагнення до абсолютно ідеального метра і прийняти за метр відстань між двома штрихами того самого архівного платинового метра.

На основі міжнародних угод (1870, 1872 та 1875 рр.) у Парижі було створено Міжнародне бюро мір і вагів, яке виготовило новий еталон метра та ще 31 його копію. Усі ці копії були пронумеровані. Один із цих еталонів (еталон №6), який більш за всі інші був наближений до старого архівного метра, було прийнято в 1888 р. за міжнародний прототип метра. Саме він зараз зберігається у Франції в Міжнародному бюро мір і вагів неподалік від Парижа в м. Севр. Інші 28 копій було розподілено в 1889 р. за жеребом між державами, які зробили попередні замовлення на них. Росії дісталися копії №28та 11.

З розвитком науки та техніки виникла потреба в більш точному визначенні одиниці довжини. Для цього намагалися знайти спосіб, завдяки якому вдалося б максимально зменшити залежність еталона від якихось зовнішніх впливів (змін температури та ін.). Штриховий еталон не забезпечував необхідної точності, бо треба було якось враховувати й ширину штрихів, й похибку, яка виникала при звіренні еталонів з прототипом. Крім того, такий штучний еталон у разі втрати не може бути відтвореним.

І ось у 1960 р. замість стержня зі сплаву платини та іридію було прийнято новий еталон метра. Він заснований на електромагнітному випромінюванні світла газом криптоном і дорівнює 1650763,73 довжини хвилі у вакуумі. Створений таким чином еталон стали називати криптоновим еталоном метра.

Для зменшення похибок при відтворенні тепер уже криптонового еталона вчені пішли ще далі. З метою підвищення точності відтворення одиниці довжини було запропоновано застосувати інше джерело випромінювання, ніж криптонова лампа. Таким джерелом виявився лазер.

Зусиллями багатьох учених з різних країн на основі лазерної техніки було створено єдиний еталон частоти-часу-довжини, який дозволяє визначати ці величини з найбільшою точністю. У результаті створення єдиного еталона було заявлено як точне таке значення швидкості світла у вакуумі: 299792458 м/с. Виходячи з цього, сьогодні визначенням одиниці довжини Міжнародної системи одиниць є таке:

метр – це довжина шляху, який світло проходить у вакуумі за 1/299792458 секунди.

Зараз Міжнародна система одиниць СІ застосовується майже в усьому світі. Одним із останніх «бастіонів», де донедавна використовували інші одиниці, була Велика Британія. Проте і там нещодавно офіційно перейшли до одиниць СІ, хоча консерваторам британцям дуже тяжко прощатися зі звичками представляти все в своїх футах або фунтах…

Закінчуючи на цьому цю стислу історію вимірювання довжини та її одиниць, зауважимо, що не треба лякатися наведених тут поки ще не зовсім зрозумілих фізичних понять (електромагнітне випромінювання, довжина хвилі, лазер тощо). По-перше, мабуть, інтуїтивно ви здогадалися, про що йдеться, а по-друге, у вас ще все попереду, і, знайомлячись далі зі світом фізики, ви зможете краще все це зрозуміти. Навіть згадування про сучасні визначення одиниць та сучасні методи їх отримання може націлити вас на сприйняття фізики вже XXI ст., а не тільки її історії.