Проблема инструментализации измерений
Точное измерение количественных характеристик исследуемых предметов является одним из важнейших моментов научного исследования. Уже в античной натурфилософии были предприняты попытки решения проблемы изменчивости человеческих ощущений: предлагались стандартные, не зависящие от субъективной оценки эталоны и инструменты, обеспечивавшие сравнение различных величин. Смена дня и ночи, движение звезд и само человеческое тело служили первыми, пусть и не всегда надежными, точками отсчета. Простейшие измерения производились рычажными весами, линейкой, циркулем, песочными и водяными часами еще в глубокой древности. XVII век стал свидетелем нескольких инструментальных прорывов: часы с маятником открыли путь к точному изменению времени. Барометр открыл неведомый ранее мир атмосферного давления. Появились и первые приборы для измерения температуры — термометры, однако поначалу они были довольно громоздки, и точность их была явно недостаточной. Например, известный своим опытом с Магдебургскими полушариями Отто фон Герике изготовил довольно сложный воздушно-спиртовой термометр несколько метров высотой (1672 г.), имевший шкалу с восемью значениями от «очень жарко» до «очень холодно».
В XVII–XVIII вв. ученые попытались найти способы более точного определения температуры. Принцип решения этой был вполне очевиден: сначала надо было взять несколько объектов, температура которых могла бы быть принята за эталон для установления «контрольных точек», с которыми можно было бы сравнить температуру изучаемого образца.
Исаак Ньютон установил два десятка контрольных точек: от холодного зимнего воздуха до тлеющих углей. Этот способ вскоре был им отвергнут, в виду очевидных затруднений в его практической реализации и недостаточной точности. Его следующая попытка оказалась более удачной. К этому времени было уже хорошо известно, что большинство тел заметно расширяется при нагревании. Ньютон измерил температурное расширение льняного масла между двумя из выбранных им контрольных точек — тающим снегом и температурой человеческого тела, после чего разделил отрезок, на который сместился уровень льняного масла в тонкой трубке, на двенадцать равных частей.
Одновременно с Ньютоном один из первых действующих термометров создал датский астроном Оле Рёмер, знаменитый своим измерением скорости света (1676). В качестве расширяющегося вещества он использовал крепкое красное вино. Контрольными точками ему служили температура смеси льда и соли в равных пропорциях (самая холодная субстанция, которую могли получить в лабораториях того времени) и кипящая вода. Шкала Рёмера была разделена на 60 равных ступеней, с нулем на температуре льда с солью.
Работы Рёмера продолжил Даниэль Габриэль Фаренгейт, посвятивший много времени изготовлению точных метеорологических инструментов, среди которых был ртутный термометр, созданный им в 1714 году. После ряда экспериментов Фаренгейт значительно увеличил дробность шкалы Рёмера. Контрольными точками были все тот же лед с солью (приблизительно 17,8 градусов Цельсия) и температуру собственного тела —— 37,8 градусов Цельсия.[59] Этот промежуток Фаренгейт разделил на 100 ступеней. Однако возможно самым замечательным достижением было то, что Фаренгейту удалось наладить производство серии термометров, показания которых сходились между собой.
Если Фаренгейт отталкивался от шкалы Рёмера, то линию Ньютона почти одновременно продолжили академик парижской Академии наук Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683—1757) и профессор Академии наук и художеств в Санкт-Петербурге, также выходец из Франции, Николя Делиль (1688—1768).
В 1731 г. Фершо де Реомюр заинтересовался проблемами метеорологии и на основе тех же контрольных точек (замерзания и кипения воды) построил восьмидесятиградусную шкалу. Причины, по которым он выбрал именно восемьдесят ступеней, темны. Одно из предположений связано с алгоритмом градуировки и коэффициентом температурного расширения 80% водного раствора спирта (1 градус Реомюра соответствовал увеличению объема на одну тысячную, по сравнению с изначальным объемом спирта при температуре замерзания воды).
Андерс Цельсий долгое время занимался проблемой инструментализации измерений. Для определения звездных величин, например, он предложил использовать набор стандартных затемненных стекол. В термометре Цельсия (1742) контрольными точками являются температуры замерзания и кипения воды (при нормальном давлении), стоградусная шкала первоначально использовалась им в инвертированном виде.
В 1848 г. стоградусная шкала Цельсия была положена в основу термодинамической температурной шкалы, предложенной Уильямом Томсоном, лордом Кельвином. В качестве контрольной точки Томсон избрал гипотетическое состояние покоя молекул вещества (абсолютный термодинамический ноль). Точка замерзания воды оказалась в 273,15 градусах от абсолютного нуля. Аналогичная абсолютная термодинамическая шкала была разработана в 1859 г. Уильямом Джоном Маккворном Ранкиным на основе стоградусной шкалы Фаренгейта. Она использовалась в течение какого-то времени для технических расчетов в США, пока ее окончательно не вытеснила международно-признанная шкала лорда Кельвина.