{"id":726,"title":"\u0427\u0435\u043c\u0443 \u043c\u044b \u043c\u043e\u0433\u043b\u0438 \u0431\u044b \u043d\u0430\u0443\u0447\u0438\u0442\u044c\u0441\u044f \u0443 \u0440\u043e\u0441\u0441\u0438\u0439\u0441\u043a\u0438\u0445 \u043a\u043e\u0441\u043c\u043e\u043d\u0430\u0432\u0442\u043e\u0432","url":"\/redirect?component=advertising&id=726&url=https:\/\/vc.ru\/promo\/254448-like-an-astronaut&hash=a5030a2f62915a7a07a8c868a88a0ed490fc2610974523f02fd63666cb17bc7c","isPaidAndBannersEnabled":false}
Истории
Alex Sharp

История килограмма и вообще

Читатель TJ о происхождении особенной единицы измерения.

Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960 год (тоже платиново-иридиевый. Фото Американского национального института стандартов и технологий

Совсем недавно на TJ появилась статья, тема которой мне показалась очень интересной, и вместе с этим не полностью раскрытой. На самом деле, килограмм — по-своему особенная единица измерения, история которой ограничивается не только датами и цифрами, но ещё и полна рядом интересных происшествий.

Но давайте по порядку. Сначала разберёмся с системами измерений. История всех единиц измерения стара, как само человечество, и рассказать о ней у меня не хватит ни времени, ни компетенции. Но сейчас мы будем рассматривать только её небольшую часть — метрическую систему мер.

История метрической системы началась в 19 веке во Франции, в разгаре Великой французской революции. В 1789 году депутаты Третьего сословия не дождались поверки Генеральных штатов и объявили себя Национальным собранием. И понеслась. Бывшие крестьяне получили свой кусок свободы, избавились от грабительских налогов, и давай торговать со всей силы.

Вскоре крестьяне поняли, что традиционная система мер слишком сложна и неудобна из за большого количества единиц измерения и трудности их преобразования, а также в силу ненадёжности её эталонов. Более того, в феодальной Франции значение фунта устанавливал каждый феодал по-своему, так что только к началу 18 века века в Европе уже существовало более ста разных фунтов.

Эталоны длины на стене обсерватории в Гринвиче. Фото Златко Крастева

В поисках решения этой проблемы французы придумали собственную систему мер — гораздо более простую, понятную, и надёжную: метрическую. Основная идея этой системы состояла в том, что преобразование всех единиц измерения сводится к простому умножению или делению на степень числа 10.

Первой единицей, принятой в 1791 году, стал метр. Его эталоном стала одна десятимиллионная доля одной четверти земного меридиана от Северного полюса до экватора. Согласитесь, такой эталон гораздо надёжнее, чем длина зёрнышка пшеницы. В защиту традиционных эталонов хочется сказать что они были по своему практичны для простого народа: зерно пшеницы было легко найти под рукой, а вот моментально найти десятимиллионную долю четверти меридиана мог далеко не каждый. Каждому торговцу приходилось всегда иметь при себе свою карманную метровую гирю, и частенько она была немножечко короче или длиннее, что вызывало всякие интересные казусы и споры на тему кто кого и на сколько хочет обмерить.

За мерой длины нужно было принять меру массы. Для определения единицы массы использовали идею английского философа Джона Уилкинса: связать между собой меры длины и массы, установив вторую на основе первой. Для этого французы использовали уже принятый метр и установили меру одной единицы массы как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу со стороной в сотую часть метра, и при температуре тающего льда».

В 1799 году, после нескольких лет исследований формулировку переопределили французский химик Луи Лефёвр-Жино и итальянский натуралист Джованни Фабброни, выяснив что наиболее стабильная точка температуры воды (температура при которой вода имеет наибольшую плотность) 4°C .

Если кто не знает, при температуре ниже 4°C вода резко и с невероятной силой начинает расширяться, при переходе в твёрдое агрегатное состояние. От этого явления частенько страдают люди, которые в системы охлаждения автомобиля осенью заливают воду вместо специальной незамерзающей жидкости — антифриза. В мороз вода расширяется с такой силой, что легко может расколоть блок двигателя автомобиля. От этого же эффекта и прорывает трубы под землёй, когда вода начинает замерзать.

Реконструкция лаборатории Лавуазье в Парижский музее искусств и ремёсел. Фото Rama

Но вернёмся к килограмму. Он пока ещё не стал килограммом, а назывался grave, от латинского слова gravitas, что, вы наверняка догадались, означает «вес». Так его назвал в 1793 году французский аристократ и известный французский учёный Антуан Лоран Лавуазье, состоявший в комиссии по определению мер.

Но и тут не обошлось без политики: слово grave (произносилось как grav) звучало очень похоже на слово graf (дворянский титул), а Великая французская революция не для того выпиливала господ с лозунгом «равенство для всех», чтобы получить очередной главный над остальными единицами мер грав. Республиканцы решили выпилить Лавуазье на виселице (он продолжал собирать налоги как дворянин), и ещё использовать gramme — одну тысячную часть килограмма.

По мнению комиссии, килограмм всё равно был слишком большой единицей, чтобы использовать её повседневно. Со временем выяснилось что, всё-таки граммы использовать не так уж и удобно, и французы вернулись к определению тысячи граммов. Логика подсказала, что всем будет хорошо и политкорректно, если использовать приставку kilo (тысяча) к слову gramme. Вот так, в виде ёмкости с холодной водой, появился килограмм, который мы все знаем сегодня.

Интересная особенность килограмма заключается в том, что из-за вот этой вот политической истории — это единственная среди семи (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела) единица в Международной системе единиц, которая имеет приставку «кило».

В 1889 году, спустя почти сто лет, эталон килограмма заменили на небольшого размера цилиндр платиново-иридиевого сплава, который по сей день является главным эталоном этой меры массы. Французы уважительно называют его Le Grand K, что в переводе означает «Большой К». Как бы парадоксально это ни звучало, но вы только задумайтесь: это единственная вещь, которая весит точно один килограмм.

Потому что только эта единственная вещь определяет саму суть килограмма, и только она весит точно столько же, сколько должен весить килограмм, по нашему мнению. Этот цилиндр находится под тремя замками в подвале Бюро Мер и Весов чуть севернее Парижа, накрытый тремя стеклянными куполами, в окружении шести таких же цилиндров-дубликатов, и как бы это ни было иронично, оказывается практически буквально сферическим килограммом в вакууме.

Копия эталона килограмма, которая хранится в США. Фото Международного бюро мер и весов

Но человечество не остановилось в своих попытках усовершенствовать эталоны физических мер. После того, как Бюро Мер и Весов определило значение килограмма, они создали еще сорок дубликатов эталона. Они были не совсем точно такими же, но их отличия тщательно задокументировали, чтобы в будущем их можно было сравнить друг с другом. Дубликаты разослали по разным странам мира, дабы у них так же был эталон килограмма.

Но когда в 1948 году дубликаты решили собрать обратно вместе, и измерить их массу заново, оказалось что все они отличаются. Несмотря на то, что хранились они в одинаковых условиях, а доступа к ним практически ни у кого не было. Даже масса самого «Большого К» отличалась от массы его шести братьев-дубликатов, хранившихся с ним в одном помещении. Самое главное — эта разница в массе увеличивалась со временем. Это выяснилось уже в 1992, когда все дубликаты были снова собраны вместе для взвешивания. Разница была невелика — примерно в 40 микрограммов, но она была. 40 микрограммов — это примерно масса отпечатка пальца. Этот факт сразу натолкнул учёных на мысль о том, что возможно кто-то оставил отпечатки на эталонах, но ситуация повторилась даже после того как цилиндры тщательно и аккуратно почистили.

Всё это означало, что масса цилиндров платиново-иридиевого сплава нестабильна и меняется со временем. А что за эталон, который сам меняет своё значение со временем? Ситуация оказалась буквально катастрофической, ведь четыре из семи единиц измерения основываются на килограмме (Не говоря уже о производных единицах, таких как Ньютон, Ватт, или Джоуль). А самое смешное, что даже традиционная система мер теперь основывается на метрической: фунт уже не представлен физическим объектом-эталоном, а официально равняется 0,45359237 килограмма. Учёные решили, что так это оставлять нельзя, и начали искать новые способы установить эталон.

Явным способом установить стабильный эталон было сделать так, чтобы он не был представлен физическим объектом. Для этого учёные создали кремниевую сферу — самый «круглый» физический объект на Земле. Эта сфера обошлась человечеству в миллионы долларов и тысячи часов человеческого труда, но зачем, если это снова физический объект?

Кремниевая сфера рядом со старым эталоном килограмма. Фото EPA

Форму сферы используют потому, что это простейшая форма, объём которой можно легко подсчитать, зная её диаметр. Ей проще всего придать «идеальную» форму. Обрабатывают этот объект с помощью очень мягких абразивов и с использованием лазерных измерительных технологий, буквально «растирая атомы». Учёные с помощью такого нехитрого способа хотят рассчитать количество атомов кремния в этой самой сфере. Таким образом можно будет больше не привязывать эталон к рукотворному физическому объекту, а вместо этого использовать фундаментальные природные величины.

Для этого используют не просто кремний, а его изотоп — Кремний-28 (28Si). Структура его атомов не имеет смещений и пустот, а также обладает стабильным временем полураспада, и, если можно так сказать, это «чистейший» и соответственно очень дорогой материал. А значит, точно подсчитать количество атомов в сфере из этого возможно. Поэтому она и стоит так дорого, а её тщательнейшая обработка занимает так много времени.

После измерения, даже если сфера и потеряется, или будет повреждена — это уже не будет иметь никакого значения, поскольку килограмм определяет не физическим объектом, а количеством атомов Кремния-28 в определённом объёме. И так эталон массы наконец станет константой, а не переменной. Нам, с нашей колокольни, это может показаться не очень значительным событием, но для науки это огромный шаг в сторону точности и опредёленности.

Возвращаясь назад к общей теме систем измерения, хочется сказать, что метрическая система оказалась настолько хороша и удобна, что декретом, изданным 4 июля 1837 года, была объявлена как обязательная для использования на территории Франции. А её усовершенствованный вариант — Международная система единиц, СИ (от французского Le Système International d’Unités) вскоре начала использоваться в остальном мире.

Забавно, что всего три страны в мире до сих пор не перешли на эту систему: Либерия, Мьянма, и США. Либерия и Мьянма особых переживаний по этому поводу не испытывают, а вот США очень страдают от лишних сложностей в конвертировании величин, при участии в совместных проектах с другими странами. Несколько раз это даже оборачивалось очень большими фэйлами. Например, при запуске ракет в космос.

{ "author_name": "Alex Sharp", "author_type": "self", "tags": ["\u043d\u0430\u0443\u043a\u0430","\u0438\u0441\u0442\u043e\u0440\u0438\u0438"], "comments": 13, "likes": 86, "favorites": 38, "is_advertisement": false, "subsite_label": "stories", "id": 63050, "is_wide": true, "is_ugc": true, "date": "Fri, 01 Dec 2017 22:30:00 +0300", "is_special": false }
0
13 комментариев
Популярные
По порядку
Написать комментарий...

Научно-Технический велосипед

15

Охуенно. Если бы мне такие вещи рассказывали на уроках физики, я бы, может, и любил этот предмет.

Ответить

Символический микроскоп

Даниил
17

Спасибо.
Я вот точно такого же мнения придерживаюсь, и считаю что для общего образования совсем не достаточно сухих цифр. Истории увлекают людей, а изучаемой теме придают шарма и романтики, так что им всегда есть место даже в "скучных" физике и математике. Жаль что в наших школах этого не понимают.

В скором времени ещё может чего интересного напишу в таком же стиле. Не слишком длинно и затянуто вышло?

Ответить

Научно-Технический велосипед

Alex
5

Нет, в самый раз. Прочитал на одном дыхании

Ответить

Взаимный рак

1

Интересная история, даже пришлось гуглить почему США до сих пор упорно придерживаются доисторических единиц измерения. А вот с эталоном непонятно, зачем его пересчитывают в атомы, если есть метр, который привязан к вселенской константе - скорости света, и есть вода при 4 градусов. Можно сделать куб 10*10*10 см (или других размеров), налить чистейшей воды при 4 С и взвесить.

Ответить

Символический микроскоп

Tapac
2

Хотел дописать, что перевод всей технической документации в США обойдется не в одну сотню тысяч упавших ракет, так что там решили что потерпят, не успел.

А на счёт воды, очевидно что основной причиной по которой отказались её использования, стала нестабильность структуры её молекулы при разных температурах. Всё-таки, кремний не меняет три агрегатных состояния в пределах 104 градусов по цельсию, и не испаряется при комнатной температуре )

Ответить

Взаимный рак

Alex
0

Из воды можно будет изготовить новый эталон в любой момент - измерить и вылить в унитаз, а из кремния - нужны тысячи человекочасов и миллионы долларов. При этом будет хоть какая-то привязка к вселенской константе.

Ответить

Прозрачный файл

1

Спасибо. Очень круто и интересно. Хочется еще таких статей.

Ответить

Текущий дым

1

Комментарий удален по просьбе пользователя

Ответить

Умерший Кирилл

0

Из-за

Ответить

Руководящий кран

0

Вообще смотря на Историю Франции удивляюсь, почему они ещё не правят всем миром 👨‍🎨👨🏿‍🎨

Ответить

Символический микроскоп

Stas
0

Они попробовали - не получилось )

Ответить

Художественный браслет

0

хотет такое же про историю пиздюлей, тоже ведь единица измерения

Ответить

Конституционный звук

0

Охуенно. Давай еще про физику.

Ответить
Обсуждаемое
Спорт
Сборная России в первом матче Евро-2020 с разгромом уступила Бельгии — 0:3
Россия пока не теряет шансов на выход в плей-офф чемпионата Европы.
Новости
Акционист выстрелил себе в голову холостыми на Красной площади, произнеся манифест против репрессий
Его и журналистку, снимавшую перформанс, задержали.
TJ
Конкурс: нарисуйте альтернативный логотип TJ и получите приз — толстовку
Нынешний нам нравится, но народный никогда не будет лишним.
Популярное за три дня
Новости
Космонавта Сергея Крикалёва сняли с должности в «Роскосмосе» за критику траты бюджетных денег на съёмки фильма​
Крикалёв не согласился с планами госкорпорации отправить на МКС актрису и режиссёра.
Дизайн и архитектура
На доме Бориса Немцова в Нижнем Новгороде установили часы с надписью «Россия» — они идут назад
Художник назвал работу «День России».
Наука
Пустоты не существует: что находится между атомами и внутри них с точки зрения современной физики
Квантовая механика против философской идеи абсолютной пустоты.
Комментарии
null