Текст книги "Занимательная история мер измерений, или Какого роста дюймовочка"

Даниель Габриель Фаренгейт

Он был сыном купца Даниеля Фаренгейта и его жены Конкордии, происходившей из известной данцигской купеческой семьи. Родился Даниэль Габриэль 24 мая 1686 года. Но родители его умерли, когда юноше было 15 лет, и он был вынужден поступить на обучение в магазин одного купца в Амстердаме, хотя научные эксперименты интересовали его больше, чем торговля. Однако позже он все-таки стал изучать прикладные естественные науки.

Даниель Фаренгейт много путешествовал по Европе, наблюдал за работой ученых и создателей инструментов в других областях, был знаком с выдающимися учеными того периода, например с Готфридом Лейбницем. Изучал физику в Германии, Голландии и Англии. Много времени он провел в Англии, где стал членом Королевского общества.

После путешествия по Европе он поселился в Нидерландах. Здесь Фаренгейт впервые изготовил термометр и барометр. Вначале термоскопической жидкостью ему служил спирт, но около 1715 года он заменил спирт ртутью, чем достиг гораздо большей точности измерений.

В системе измерения температуры Фаренгейта существуют три отправные точки:

– О °F – погружая термометр в тающую смесь снега с нашатырем и поваренной солью, Фаренгейт принял эту температуру за нуль для своей шкалы;

– 32 °F – температура таяния льда;

– 98 °F – температура тела здорового человека.

Таким образом, точка кипения воды будет равняться 212 °F.

В 1718 году он читал в Амстердаме лекции по химии, в 1724 году стал членом Королевского общества.

Фаренгейт собрал также первый весовой ареометр и термобарометр. Он исследовал зависимость изменения температуры кипения жидкости от атмосферного давления и содержания в ней солей, обнаружил явление переохлаждения воды, определил температуру смесей горячей и холодной воды, составил таблицы удельных весов тел. Работал также над устройством машины для осушения местностей, подвергшихся наводнениям.

Умер Фаренгейт в Гааге 16 сентября 1763 года.

Чтобы перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия, следует от данного числа отнять 32, а затем полученный остаток умножить на 5/9 (для Цельсия). Если же требуется перевести градусы Цельсия в градусы Фаренгейта, то число следует умножить на 1,8 и к произведению прибавить 32.

Рене Антуан Реомюр

Рене Антуан Фершо де Реомюр родился 28 февраля 1683 года в Ла-Рошели (Франция) в семье нотариуса. Мальчик получил образование в школе иезуитов в Пуатье. С 1699 года изучал право и математику в университете Бурже. В 1703 году продолжил изучение математики и физики в Париже. После того как в 1708 году Рене опубликовал свои первые три работы в области математики, он был принят в члены Парижской Академии Наук.

Реомюр занимался математикой, химической технологией, ботаникой, физикой и зоологией. Больше всего работ он оставил в двух последних дисциплинах. Он разработал способ производства матового стекла. В 1715 году начал заниматься металлургией железа, проведя многочисленные эксперименты для объяснения процессов, протекающих при графитизации чугуна и цементации стали. Опубликовал несколько работ, из которых наиболее известны «Искусство превращения ковкого железа в сталь» и «Искусство умягчения литого чугуна». Чтобы получить различные модификации железа, нужны были разные степени его нагрева, и нужно было знать цифры нагрева. Поэтому Реомюр занялся разработкой термометра. Существующие на то время температурные шкалы не могли его удовлетворить полностью.

В 1730 году Реомюр описал изобретённый им спиртовой термометр, шкала которого определялась точками кипения и замерзания воды. 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R). Шкала Реомюра долгое время была распространена в Европе.

Еще при жизни Реомюра были проведены измерения точки кипения воды в градусах его шкалы. Жан Тийе в присутствии Жана-Антуана Нолле получил значение 85. Но все последующие измерения дали величины от 100 до 110 градусов. Если использовать современные данные, то для точки кипения воды в градусах Реомюра получается значение 108. В 1772 году в качестве стандартной была принята температура кипения воды, равная 110 градусов Реомюра. Но разнобой продолжался еще 22 года, до 1 апреля 1794 года, когда в связи с введением во Франции метрической системы, по предложению минералога и метеоролога Рене-Жюста Гаюи, было утверждено в качестве стандартного значение 100 – фактически, принято то, что уже называли шкалой Цельсия.

Опыты Реомюра с водно-спиртовыми смесями положили начало систематическим исследованиям растворов.

Начиная с 1734 года Реомюр в течение пяти лет публиковал отчеты об измерениях температур воздуха с помощью предложенного им прибора в различных местностях, от центральных районов Франции до индийского порта Пондишери, однако позднее термометрию забросил.

Как биолог Ремюр написал шеститомник «Мемуары по естественной истории насекомых». В нем он опубликовал огромное количество сведений об условиях жизни насекомых, их общественном устройстве, сезонных явлениях и паразитизме.

Изучая ос, учёный открыл, что они используют для строительства гнезда растительные волокна, а получающийся материал очень похож на картон. Это натолкнуло Реомюра на мысль, что бумагу нужно изготавливать из древесины, а не из старой одежды, как это делали в Европе в то время. А изучение процессов замерзания веществ привело Реомюра к изобретению нового метода приготовления мороженого, которое отличалось необычной мягкостью.

Он скончался 17 октября 1757 года в замке Бермовдьер близ Сен-Жюльен-дю-Терру (Мэн, Франция).

Реомюр был членом Парижской Академии наук (1708), почетным членом Петербургской Академии наук (1737), членом Лондонского королевского общества (1738), иностранным членом Прусского королевского научного общества (ныне Берлинско-Бранденбургская Академия наук) (1742), иностранным членом Шведской королевской академии наук (1748).

Андерс Цельсий

Он родился 27 ноября 1701 года в шведском городе Уппсала в семье профессоров. Не только его отец Нильс Цельсий, но и оба деда, Магнус Цельсий и Андерс Споле, тоже были профессорами. Учеными были и многие другие родственники, в том числе дядя Улоф Цельсий – теолог, ботаник, историк и востоковед.

Поэтому Андерс продолжил традицию семьи, окончил университет и стал в нем же преподавать. Он был профессором математики и астрономии Уппсальского университета с 1730 по 1744 год.

Цельсий предложил шкалу, в которой температура тройной точки воды (эта температура практически совпадает с температурой плавления льда при нормальном давлении) принималась за 100, а температура кипения воды – за 0. Считается, что в 1745 году, уже после смерти Цельсия, шкала была перевернута Карлом Линнеем, и за 0 стали принимать температуру плавления льда, а за 100 – кипения воды.

Вместе с французским астрономом Пьером Луи Моро де Мопертюи участвовал в экспедиции с целью измерения отрезка меридиана в 1 градус в Лапландии. Аналогичная экспедиция была организована на экватор, на территории нынешнего Эквадора. Сравнение результатов подтвердило предположение Ньютона, что Земля представляет собой эллипсоид, сплюснутый у полюсов.

Цельсий наблюдал северное сияние и описал более 300 своих и чужих наблюдений. Обнаружил, что отклонения стрелки компаса коррелируют с интенсивностью сияния. На этом основании сделал заключение, что природа Северного сияния связана с магнетизмом.

В 1741 году он основал Уппсальскую астрономическую обсерваторию. Весьма точно измерил яркость 300 звезд, используя систему одинаковых стеклянных пластин, поглощавших свет.

Скончался от туберкулеза 25 апреля 1744 года.

Уильям Томсон, барон Кельвин

Он родился 26 июня 1824 года в городе Белфасте. Предки Томсона были ирландскими фермерами; его отец Джеймс Томсон, известный математик, с 1814 года был учителем в Белфастском академическом институте, а с 1832 года стал профессором математики в Глазго. Автор учебников по математике, выдержавших десятки изданий. Уильям Томсон и его старший брат Джеймс учились в колледже в Глазго, а затем в колледже св. Петра в Кембридже, в котором Уильям окончил курс наук в 1845 году.

В 1846 году двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго.

Еще студентом он опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики и исследовал явления распространения тепла и электрический ток. Также он занимался вопросами электростатики и опубликовал несколько статей на эту тему.

В 1848 году Уильям Томсон в своей работе «Об абсолютной термометрической шкале» писал о необходимости шкалы, нулевая точка которой будет соответствовать предельной степени холода (абсолютному нулю), а ценой деления будет градус Цельсия. Эта абсолютная шкала сейчас известна как термодинамическая шкала Кельвина. Значение «минус 273» было получено как обратное от 0,00366 – коэффициента расширения газа на градус Цельсия.

В 1849 году Томсон начал работы по термодинамике, а в 1855 году – по термоэлектричеству. В этой работе принимали участие студенты университета Глазго, что положило начало первым в Великобритании практическим работам студентов, а также стало началом работы лаборатории по физике в Глазго.

В пятидесятых годах Томсон заинтересовался вопросом о трансатлантической телеграфии. Он исследовал вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и пришел к заключениям, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. В экспедиции для прокладки кабеля Томсон усовершенствовал лот и компас (1872–1876).

В 1884 году Томсон провел двадцать занятий по молекулярной динамике и волновой теории света в форме мастер-класса в Университете Джонса Хопкинса. Эти лекции оказали влияние на развитие физики на рубеже XIX и XX веков. Описывая звук как волну, Томпсон ссылался на уравнение акустической волны. Полагая, что светоносный эфир подвергается вибрациям, он также попытался описать его через уравнение электромагнитной волны. Присутствовавшие на занятиях Майкельсон и Морли позднее поставили эксперименты, опровергшие теорию эфира.

У него есть работы по термодинамическим исследованиям, приведшие кроме прочего к установлению абсолютной шкалы температур; работы по гидродинамике и теории волн (награждены в 1887 году премией Эдинбургского королевского общества); работы по термоэлектричеству, приведшие к открытию так называемого «эффекта Томсона» – переноса тепла электрическим током; исследования по теории упругости (1862–1863), в которых Томсон расширил теорию шаровых функций; работы по динамической геологии.

В практической физике и технике Томсону принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление в науке и технике. Среди множества патентов, которые он получил, встречаются и чисто практические приспособления (как, например, водопроводные краны).

В 1856 году ученый был награжден Королевской медалью Лондонского королевского общества. С 1880 по 1882 годы был президентом Лондонского общества физиков.

В 1866 году он был посвящен в рыцарское достоинство. В 1892 году королева Виктория пожаловала Томсону наследственное пэрство с титулом «барон Кельвин» по реке Кельвин, протекающей мимо университета Глазго и впадающей в реку Клайд, в результате чего он стал известен как «лорд Кельвин». Кельвин стал первым британским ученым, получившим право заседать в палате Лордов.

По современному определению, утвержденному Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 году, один Кельвин – это единица температуры, составляющая 1/273,16 части температуры тройной точки воды. Температура тройной точки воды – это температура при которой вода может находится в трёх состояниях: твёрдом, газообразном, жидком, и соответствует 273,16 К или 0,01 °C.

Ученые используют шкалу температуры Кельвина, потому что она упрощает решение уравнений физики, астрономии и химии, поскольку в ней отсутствуют отрицательные числа.

Как считали время

Деление суток у разных народов

Когда человек осознал понятие времени, появилась необходимость его измерять. Человека уже не устраивали понятия ночи, дня, утра, вечера. Появилась необходимость делить день и ночь на отрезки времени, чтобы лучше ориентироваться в жизни. Стали появляться приспособления для измерения времени.

Первые прообразы современных часов появились в древнейшие времена. Солнечные, огневые, песочные и водяные часы постоянно развивались и улучшались. Именно они заложили основы гениальных изобретений средневековых механиков.

Измерять время было важно во все времена. Хотя бы чтобы договариваться о встречах. Поэтому еще более 4000 лет назад люди начали изобретать простейшие устройства для определения времени. Первым из них стали солнечные часы. Они были известны в Древнем Египте, Греции, Риме, Китае и на Руси. Суть их проста: длина тени гномона (вертикального предмета) указывала дневное время. Но у них имелся существенный недостаток – они работали только в солнечную погоду.

Чтобы решить эту проблему, для измерения времени стали использовать воду. Принцип водных часов (или клепсидры) заключался в том, что медленно вытекающая из сосуда вода заполняла резервуар. Кроме этого широко применялись песочные и огневые часы.

При этом в Месопотамии, например, сутки делились на шестнадцать промежутков, в Египте на двенадцать. Кроме этого у разных народов были разные по количеству дней недели, месяцы и сезоны. В некоторых странах к тому же использовали промежутки времени в несколько лет: декада (10 лет) в Греции, индиктион (15 лет) в Риме, сарос (18 лет) в Вавилоне.

Самое раннее упоминание суток как соединенных вместе дня и ночи встречается у Гомера, при этом сутки в его произведениях начинались с рассвета. В Древней Руси до XIII века «сутки» как единицу счета времени не использовали. Древнерусские летописцы считали время днями от рассвета до рассвета.

Еврейские сутки начинаются или с заходом солнца, или в сумерках (когда появляются звезды третьей величины). Христианская Церковь и средневековая Европа следовала этой традиции, известной на Западе как «флорентийский счет»: согласно этой системе выражение «два часа суток» означало «спустя два часа после захода солнца». Такие особые даты, как Сочельник, которые отмечаются с началом вечера, являются остатками старых обычаев, когда религиозные праздники начинались с вечера предыдущей даты.

В исламе сутки считаются от захода солнца до захода, то есть полное исчезновение солнца на горизонте обозначает начало нового дня, вне зависимости от зарева.

В Древнем Египте сутки считались от восхода до восхода солнца.

Число частей, на которые делились сутки или отдельно ночь и день, увеличивалось постепенно. Большая часть народов Нового Света делила сутки только на четыре части, соответствующие восходу солнца, зениту, заходу солнца и середине ночи. По свидетельству путешественника Горребоу, описавшего Исландию в середине XVIII столетия, исландцы делили день на 10 частей. Арабы различали восход солнца, подъем и опускание его, заход солнца, сумерки, ночь, первый крик петуха и рассвет.

Впервые деление суток на 24 части, но с разной длиной часа, встречается в Древнем Египте около 2100 года до н. э. Эту систему применяли египетские жрецы. В таких сутках 24 часа включали в себя: один час утренних сумерек, десять дневных часов, один час вечерних сумерек и двенадцать ночных часов. Около 1300 года до н. э. суточный счет времени был реформирован: светлое и темное время суток разделили по 12 частей соответственно, в результате чего продолжительность «дневного» и «ночного» часа менялась в зависимости от сезона.

В Вавилоне также существовало деление дня и ночи по 12 часов. Согласно «Истории» Геродота, от вавилонян эту систему переняли греки, позднее и римляне. К примеру, зимой продолжительность «дневного часа» в Риме составляла около 45 минут.

В Древнем Риме дневные часы объединялись в четыре равных временных отрезка, а ночные часы объединялись в четыре «стражи» (сроки несения караула), по три часа каждая: две стражи до полуночи, и две – после.

В средневековой Европе суточное время делилось по церковным службам, начало и продолжительность которых отсчитывались согласно древнеримскому суточному исчислению.

В Новгородской республике светлое время суток (день) также делилось на 12 часов, как и в Москве XV века, но поясное время в Новгороде отличалось в XV веке от Московского на 3 часа.

Счет времени в Месопотамии

Месопотамия, или Междуречье, – это область на Ближнем Востоке, лежащая по берегам двух рек, Тигра и Евфрата. С конца IV тысячелетия до н. э. и до I тысячелетия н. э. здесь находился центр цивилизации, культурное влияние которой простиралось от берегов Средиземного моря на западе до Иранского нагорья на востоке и от Кавказских гор на севере до Персидского залива на юге.

В III тысячелетии до н. э. Месопотамия была населена шумерами. Они создали в Южной Месопотамии несколько городов-государств, ставших центрами культурного развития. Важнейшими из них были расположившиеся на Евфрате Ур и Урук и разместившиеся в Междуречье Лагаш и Ниппур.

Ассирийцы считали время от основания своего царства Ассуром на берегах реки Тигра в 2000 году до н. э. Вавилоняне начали свой календарь с того времени, когда царь Вавилона Немврод основал свое государство над Евфратом. После упадка этого государства Набонассар основал новое в 750 г. до н. э., и с тех пор началось новое исчисление лет у вавилонцев.

До наших дней дошел культовый календарь из Ниппура. Впервые он упоминается в конце XXIV в. до н. э. Ниппурский календарь состоял из следующих месяцев:

– Бараг-заг-гар-ра «престол святилища»,

– Гуд-си-са «направление волов (на плужную вспашку)»,

– Сиг-у-шуб-ба-гар «помещение кирпича в кирпичную форму»,

– Шу-нумун-а «месяц сева»,

– Изи-изи-гар-ра «месяц зажигания огней»,

– Кин-Инанна «месяц обряда богини Инанны»,

– Дуль-Куг «месяц Священного Холма»,

– Апин-ду-а «месяц отпускания плуга (с пашни)»,

– Ган-ган-эд «месяц выхода Убийцы (= Нер-гала)»,

– Аб-ба-эд «месяц выхода отцов» (либо «месяц выхода моря»),

– Зиз-а (второе чтение – удра) «месяц двух-зернянки или полбы» (второе чтение – месяц темноты),

– Ше-гур-куд «месяц жатвы».

Ниппурский календарь первоначально употреблялся только на территории города Ниппур. Однако с начала второго тысячелетия до н. э. он стал общегосударственным календарем Южной Месопотамии и использовался в городах Исин и Ларса.

По одной из версий, происхождение семидневной недели связано с древним Вавилоном. Вавилонские жрецы – халдеи были еще и астрономами и, наблюдая за звездным небом, заметили «семь странствующих светил», которые впоследствии получили название «планеты» (с древнегреческого слово «планета» переводится как «странствующая»). Считалось, что эти странствующие светила вращаются вокруг Земли и имеют огромное влияние на жизнь каждого человека, а то и целых народов. Халдеи решили, что каждый день находится под влиянием какой-то из планет, а так как известных планет в то время было семь, то и появилось семидневное членение каждого месяца.

Сутки они делили на отрезки. Днем было 12 частей, и ночью 12. А поскольку день и ночь меняются от зимы к лету, то получалось, что отрезки эти были не равными в разные сезоны.

Счет времени в Древнем Египте

Летоисчисление египтян начиналось от правления фараона Менеса в 2200 г. до н. э. Через несколько столетий точка отсчета сменилась и время начали считать от переноса столицы в город Саис в нижнем Египте, то есть от 650 года до н. э.

Египетские жрецы тоже постоянно наблюдали за звездным небом. Начиная с III тысячелетия до н. э. они создавали календари, разрабатывали методы, как измерять время ночью, выделяли на небе созвездия и планеты.

Астрономические представления египтян были тесно связаны с мифологией. Они считали, что в середине мира находится Геб, один из прародителей богов, кормилец и защитник людей. Он олицетворял Землю. Жена и сестра Геба, Нут, была Небом. Ее называли Огромной матерью звезд и Рождающей богов. Считалось, что она каждое утро проглатывает светила и каждый вечер рождает их вновь. Из-за этого когда-то Нут и Геб поссорились. Тогда их отец Шу, Воздух, поднял Небо над Землей и разлучил супругов. Нут была матерью Ра (Солнца) и звезд и управляла ими. Ра создал Тота (Луну) как своего заместителя на ночном небе.

Согласно другому мифу, днем Ра плывет по небесному Нилу и освещает Землю, а вечером спускается в Дуат (преисподнюю). Там он путешествует по подземному Нилу, сражаясь с силами мрака, чтобы утром вновь появиться на горизонте. Ра изображался в образе сокола, а иногда в виде огромного кота. Его символом также был обелиск.

Делом бога Тота было измерение всего и вся. В том числе и времени. Сами же египтяне меряли время солнечными часами, теневыми часами (гномоном), водными часами (клепсидрой). Астрономические наблюдения помогли им создать несколько лунных и солнечных календарей. Считается, что древнейший календарь составили египетские жрецы в Гелиополе в 4241 г. до н. э. после многолетних наблюдений за годичным циклом перемещений звезды Сотис (Сириус). В основе египетского календаря лежал солнечный, или тропический, год, то есть период между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия.

Обитатели долины Нила, где нет значительных перепадов температуры в течение года, делили год на три сезона, которые зависели от поведения реки. Первый сезон – «ахет» («половодье») совпадал с разливом Нила. С середины июля по середину ноября река затопляла низины. Второй сезон, длившийся тоже около четырех месяцев, назывался «перет» («появление суши»). Он продолжался с середины ноября до середины марта. Вода спадала, увлажнив землю и удобрив ее илом; сезон начинался севом и заканчивался сбором урожая. В марте, когда со стороны Сахары начинали дуть иссушающие ветры, наступал последний сезон года, «шему» («отсутствие воды»). Он длился до середины июля. Таким образом, год по египетскому календарю начинается с 19 июля.

Новый год в Древнем Египте совпадал с двумя природными явлениями. Первым было появление самой яркой на небосводе звезды, Сириуса, незадолго до восхода Солнца. Она исчезала с небес 70 днями ранее; ее возвращение совпадало с началом разлива. Кроме того, этот день считался днем рождения Ра, создателя всего мира. В Поздний период на Новый год египтяне дарили друг другу маленькие фляжки в форме чечевицы и с горлом в виде стебля папируса; часто на них вырезались пожелания удачного года. В эти фляжки набирали немножко нильской воды. А в храмах все статуи богов выносили на крыши под первые лучи солнца на заре первого дня года. Эта церемония называлась «соединением с диском».

Месяцы обозначались номерами: первый месяц половодья, второй месяц половодья и так далее. Пять дней, не вошедшие в календарь, добавлялись в конце последнего месяца. Эти дни назывались «хериу-ренпет», что дословно означало «находящиеся над годом». Каждый такой день отмечался как день рождения соответствующего божества: Осириса, Гора, Сета, Исиды и Нефтиды.

Было и мифологическое описание календаря. Египтяне считали, что раньше год состоял из 360 дней, а каждый месяц из 30 дней. Однако когда Нут, жена бога Ра, забеременела от бога Геба, Ра рассердился и запретил ей рожать на протяжении всех 12 месяцев. Тогда бог Тот выиграл у богини Луны дополнительные 5 дней, чтобы Нут могла родить. Благодаря этому на свет появился Осирис, а год стал состоять из 365 дней.

Итого в египетском годе было 12 месяцев по 30 дней. Месяц делили на три декады. То есть «неделя» состояла из 10 дней. А сутки состояли из 24 часов: 12 часов длилась ночь и 12 часов – день.

Для наблюдения за временем египтяне использовали солнечные, водяные и звездные часы. Самое раннее известие о солнечных часах относится к периоду царствования фараона Тутмоса III (1521–1473 гг. до н. э.).

24-часовое деление суток было характерно для водяных часов, которые появились значительно раньше, чем солнечные. Их использовали в трудоемких процессах, например, слива воды с Нила на поля.