Евгений Елизаров - Сколько будет 2+2?
Обратимся к известному.
В 1720 году немецкий физик Габриель Д.Фаренгейт (1686-1736) предложил принять в качестве двух фиксированных точек температурной шкалы температуру человеческого тела и температуру замерзания какой-нибудь смеси. Несколько позднее, в 1742 году, теперь уже шведский астроном и физик Андерс Цельсий (1701-1744) предложил использовать для маркировки температурной шкалы точки кипения и замерзания воды. Первой он приписал значения 0, второй – 100 градусов. Именно эта, только перевернутая, шкала теперь и принята повсеместно. Используются, правда и другие шкалы (того же Фаренгейта, Кельвина), но все они легко приводятся к шкале Цельсия.
Но вот вопрос: все ли градусы (или, вернее сказать, то, что стоит за ними) разных этих шкал в точности равны друг другу, равен ли градус, измеренный вблизи одной из критических точек, градусу, измеренному вблизи какой-то другой? Ведь если это не так, все расчеты, использующие данную шкалу, могут содержать в себе математическую ошибку.
Вопрос отнюдь не риторичен, он настоятельно требует точного и конкретного ответа. Ведь в действительности для измерения температуры во всем диапазоне ее известных сегодня значений подходящих средств у нас до сих пор нет. Под подходящими средствами имеется в виду некий единый «термометр», одинаково пригодный для измерений во всем интервале, то есть и в области абсолютного нуля и в области «звездных» температур. На самом деле сегодня мы пользуемся целой системой измерительных инструментов, каждый из которых способен давать удовлетворительные результаты только для определенных долей «полного количества» этого явления, иными словами, лишь в сравнительно узком интервале температур. Состыковать же результаты измерений, выполненных разными инструментами, так чтобы они ничем не противоречили друг другу, сегодня практически не удается. В особенности это касается тех случаев, когда сопоставлению подлежат значительно отстоящие друг от друга участки единой температурной шкалы.
Впрочем, строго говоря, нет и единой шкалы, есть лишь своеобразные «лоскуты», из которых мы и кроим некое подобие целого. А если так, то сформулированный выше вопрос о том, равен ли градус, измеренный вблизи одной критической точки, градусу, измеренному вблизи другой, вполне закономерен. Больше того, остается сомнение не только в точности расчетов, но и в том, что мы сумели понять самое существо того таинственного начала, которые мы пытаемся измерять с помощью различных температурных шкал. Все эти шкалы градуируют вовсе не его «качество», но «качества» совершенно иных образований. Между тем до тех пор, пока не установлено его «полное количество», его «мера» (мы еще будем говорить об этих категориях), выносить окончательное суждение о нем преждевременно. Подлинная его природа хранит еще немало загадок.
Обратимся к другой шкале.
В 1770 году французский геодезист и путешественник Ш. Де ла Кондамин (1701-1774) приказал замуровать в церковной стене своего родного городка собственноручно изготовленный им бронзовый стержень и установить в этом месте мраморную плиту с надписью, гласящей о том, что здесь хранится экземпляр одной из возможных естественных единиц измерения, которая способна стать универсальной.
Ученый предлагал заменить десятки произвольно выбранных и не всегда поддающихся согласованию между собой единиц измерения – фунтов, локтей, дюймов и так далее, которые использовались в тогдашней Европе, одной универсальной и естественной мерой. В качестве такой вполне отвечающей духу Просвещения меры им предлагалась длина экваториального маятника, то есть маятника, который, будучи установлен на экваторе, совершает ровно одно качание за секунду.
Горячую приверженность Кондамина к такому средству измерения легко понять, если представить себе, какой уникальный прибор представляет собой сам маятник. Действительно, подвешенный в том месте, где сила тяжести может считаться строго неизменной, он способен сформировать точный эталон времени. После этого, если его доставить в любой другой район планеты, он по времени своего качания, позволит с точностью определить силу тяжести в нем. А если сила тяжести известна нам заранее, и одновременно удостоверено точное время качания, то отсюда нетрудно определить и длину маятника. Словом, один и тот же прибор годится для точного измерения и времени, и пространства, и силы.
Кстати, применение универсальных мер, служащих для измерения одновременно разных и, казалось бы, несопоставимых друг с другом величин, известно давно. Еще в древнем Китае один и тот же инструмент служил для измерения и длины, и объема, и высоты музыкального тона. В качестве такого инструмента выступало «стандартное» колено бамбука. Конечно, точность оставляла желать лучшего, но все же изящность физического решения по праву заслуживает очень высокой оценки, к тому же нужно сделать и какую-то скидку на историческую эпоху.
Поэтому и идея измерения времени, пространства и силы тяжести с помощью маятника принадлежит, разумеется, не одной только Франции: о ней заговорили и в Лондонском королевском обществе, практически сразу же после того, как знаменитый голландский механик и математик Х.Гюйгенс (1629-1695) изобрел свои знаменитые часы и написал фундаментальный доклад о маятнике.
Тогда же французский математик Г.Мутон (1618-1694) предложил сохранить за маятником значение контрольного аппарата, но в основу универсальной системы мер все же положить другое – уже принятую единой для ведущих морских держав, Англии, Голландии и Франции, морскую милю – часть дуги меридиана.
В конечном счете возобладала чисто пространственная величина. Сыграли, конечно, свою роль и политические разногласия (против революционной Франции к тому времени ополчилась практически вся Европа) и чисто технические трудности, помноженные на другие, политические же, обстоятельства. Ведь для принятия эталонной меры всеми государствами нужен свободный доступ и для ее проверки, и для калибровки национальных эталонов, создаваемых по ее результатам. Но проверить длину дуги без согласия правительств тех стран, на территории которых он проходила (речь идет о Франции и Испании), не всегда возможно.
Однако идея использования колебательного процесса для создания естественного эталона длины все же не умерла. В 1827 году французский физик Ж.Бабине предложил использовать для этого несколько иной колебательный процесс – длину световой волны. Спустя 75 лет А.Майкельсон видоизменил идею Бабине, предложив определять эталонный метр числом укладывающихся в него длин волн монохроматического света. Совершенствование этой идеи привело к новому определению последнего. Если до того под метром понималась одна сорокамиллионная часть дуги меридиана, проходящего через Барселону и Дюнкерк, то в 1960 году метром стали называть длину, равную 1 650 763, 73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86.
Таким образом, если в 1889 году два метровых эталона могли быть сравнены с точностью до 1-2 десятимиллионных долей, то теперь эта точность была повышена в 10 раз. Колебания микроскопического атома оказались значительно более точным эталоном, чем размер нашей планеты.
Но метр хорош для измерения лишь сравнительно небольших дистанций. А вот, к примеру, межзвездные расстояния измеряются совсем иными величинами. И вновь вопрос: каждый ли метр тех бесконечных парсеков, которыми измеряются космические расстояния, включает в себя ровно 1 650 763, 73 «длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86»?
Ответа нет.
А если так, есть ли у нас уверенность в том, что расстояния между космическими объектами определяются нами с достаточной точностью?
Свои шкалы существуют и для измерения других явлений материального мира: времени, скоростей, масс и так далее. Вообще говоря, всякого рода шкал существует бесконечное множество. Присмотримся пристальней еще к одной из, может быть, самых известных, во всяком случае одной из тех, к которой мы обращаемся чуть ли не ежеминутно, – к временной шкале.
Для измерения времени в качестве основной единицы сегодня принимается секунда.
Когда-то она определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток. Но со временем обнаружилось, что период вращения нашей планеты вокруг своей оси далеко не постоянен. Поэтому течение времени, отсчет которого ведется на основе вращения Земли, иногда бывает ускоренным, а иногда – замедленным по сравнению с тем, которое определяется по орбитальному движению Земли, Луны и других планет. Подсчитано, что за последние 200 лет ошибка в отсчете времени на основе суточного вращения Земли по сравнению с некоторыми умозрительными часами, свободными от любой нерегулярности хода, достигла около 30 секунд.
Различают три типа изменения скорости вращения нашей планеты. Вековые, которые являются следствием приливов под воздействием лунного притяжения и приводят к увеличению продолжительности суток примерно на 0, 001 секунд в столетие. Наряду с ними существуют малые скачкообразные изменения продолжительности суток, причины которых точно не установлены. Они удлиняют или укорачивают земные сутки на несколько тысячных долей секунды, причем такая аномальная продолжительность может сохраняться на протяжении нескольких лет подряд. Наконец, отмечаются периодические изменения, главным образом с периодом в один год.
