Как создать точные измерения с нуля

Это увлекательная задача, потому что она показывает, насколько сложно определить единицы измерения. В школе у ​​нас часто создается впечатление, что единицы являются нерушимыми фундаментальными структурами природы, но реальность показывает обратное.

Эта задача была бы невозможна до 1960 года. С 1889 по 1960 год метр фактически определялся конкретным слитком, хранившимся в Севре, Франция. Без доступа к нему было бы практически невозможно построить объект высотой 1 метр. До этого метр фактически определялся как 1/10 000 000 квадранта вдоль меридиана Земли. Интересно, что построенный ими метровый стержень на самом деле был на 200 мкм короче, чем должен был быть из-за просчета, но как только стержень ударили, он стал измерителем.

С 1960 по 1983 год метр был переопределен и теперь составляет 1650763,73 длины волны света от указанного перехода в криптоне-86. Это означало, что впервые можно было иметь окончательный «метр», не привязанный к физическому объекту, который мог быть поврежден или изношен. Это определение было заменено в 1983 году нашим нынешним, которое представляет собой расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Это определение привязало метр к физической константе (скорости света) и секунде.

Проглотите паука, чтобы добраться до мухи... Хорошо, как мы можем измерить секунду с точностью до наносекунды?

Долгое время «секунда» измерялась как часть суток. Этого было достаточно на века. Однако день на самом деле немного меняется, поэтому в 1956 году мы изменили его определение, чтобы оно стало «долей 1/31 556 925,9747 тропического года для 0 января 1900 года в 12 часов эфемеридного времени». Да, именно так мы делаем вещи в науке.

Конечно, было бы легко потерять представление о том, какой именно продолжительности был период года в 1900 году, так что это было далеко не идеально. В 1967 году, после изобретения атомных часов, оно было переопределено как «длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Какой глоток!

Так что эти цифры невероятно точны. Они должны быть. Если вы хотите измерить секунду с точностью до 1 части на миллиард (одна наносекунда), чтобы вы могли измерить метр до 1 части на миллиард (нанометр), вам нужны все эти цифры. Если вы пропустите хотя бы 10 из этих крошечных переходов в ваших атомах цезия, вы ошибетесь на наносекунду!

В этом масштабе глупости начинают иметь значение. Например, мы заметили, что время шло быстрее для некоторых часов на разных высотах из-за релятивистских эффектов. Да, релятивистские эффекты имеют значение в этих масштабах, поэтому в 1997 году секунда была уточнена как скорость атомных часов, работающих на среднем уровне моря! Это имело разницу около 0,1 нс в секунду, поэтому она отображается на шкалах, которые вам интересны.

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос, нет. Одинокий человек не собирается делать точную измерительную линейку за всю свою жизнь. Вашим первым шагом будет создание атомных часов, для чего требуются компоненты высокой чистоты, высокий вакуум и довольно много высокоточной обработки. При этом вы могли бы получить немного цезия-133 и измерить секунду с достаточно высокой точностью. Затем вы могли бы попытаться измерить скорость света, используя другой дорогой научный инструмент, чтобы создать свой измеритель.

Наконец, вы можете создать свой измерительный стержень. Вы знали, что это непросто? Машинисты и метрологи, создающие эти высокоточные измерительные приборы, просто выдающиеся. Будем надеяться, что ваш изолированный человек, отправленный на десять тысяч лет назад, посвятил всю свою жизнь совершенствованию этого искусства!

Вы могли бы попытаться сделать шаг назад в истории и использовать определение криптона. Вы можете построить интерферометр, чтобы сделать это измерение. Тем не менее, переход к метру, основанному на скорости света, был частично осуществлен, потому что у лучших ученых мира были проблемы с измерением более точно, чем около 0,2 нм. Переход к определению, основанному на скорости света, позволил им измерять частоты, что было намного проще. Если у лучших ученых и метрологов нашего мира были проблемы с точным измерением в интересующей вас шкале, весьма вероятно, что и у вас возникнут проблемы с ней 10000 г. до н.э.

К счастью, вам не нужно определение килограмма. Тот до сих пор определяется IPK во Франции, кусок платины и иридия. В настоящее время предпринимаются попытки изменить это определение, переопределив килограмм как «1000/27,9769265325 · 6,02214179×10^23 атомов Si-28. Да… это квалифицируется как «лучшее» определение килограмма. Метрология — это безумное искусство. , но вы должны уважать их безупречную точность!

Тривиальное задание, максимум 2 дня.

Знаете свой рост или любой другой размер? Возьмите все, что есть (глину, дерево, ...) и начните штамповать стержни, совсем разные. Сотни, все на расстоянии 1 метра. Затем обнимите их или дождитесь наступления темноты. Тепловое расширение гарантирует, что один из них будет именно тем измерителем, который вам нужен.

В задании не указано, что вы должны указать на конкретный стержень в определенное время...

Если бы вы знали свой рост, то было бы довольно легко найти длину метра.

Однако , как правило, люди знают свой рост только в метрах с точностью до 3 или 4 значащих цифр. Получить длину с точностью до нанометра было бы практически невозможно. Таким образом, вам придется вернуться к определению метра: 1/299 792 458 часть расстояния, которое свет проходит за секунду. Вы также должны знать, сколько длится секунда: ровно 9 192 631 770 периодов определенной частоты излучения атома цезия.

Так что, по сути, вам придется построить атомные часы, электронно-управляемый (ручное управление не даст необходимой точности) источник света (желательно лазер) и очень-очень длинный участок абсолютно плоской земли в вакуум (в воздухе свет распространяется с разной скоростью). Не говоря уже о всех необходимых технологиях для производства очищенного металла, электроники и т. д. Вам также придется найти и очистить цезий, что довольно редко.

Я бы сказал, что это невозможно за всю жизнь.

Если вам нужно быть точным вплоть до нанометра, вероятно, нет. Метр, как мы его знаем, определяется как «длина пути, пройденного светом в вакууме за промежуток времени 1/299 792 458 секунды». Сначала метр был определен как одна десятимиллионная длины нулевого меридиана, расстояние, которое вы вряд ли сможете вычислить без какой-либо передовой технологии. Альтернативный метод, который может быть более правдоподобным, хотя и маловероятным, состоит в том, чтобы построить маятник с полупериодом в одну секунду. Расстояние, на которое качается маятник, составляет примерно один метр. Кроме того, на самом деле нет надежного способа определить счетчик без каких-либо измерений, связанных с ним.

Если достаточно близко, и если у вас есть нужные материалы, вы можете использовать саженец. Если вы знаете, насколько определенный вид дерева вырастет за 365 дней, вы можете вычислить, сколько времени потребуется, чтобы вырасти на один метр, а затем спилить дерево. Точно так же вы можете посмотреть/вспомнить, какой длины та или иная кость у среднего, но старого человека, и основывать свою линейку на этом. Это все еще не будет идеально, но это будет близко. И действительно, кто вас на это позовет?

Самый простой способ сделать это, если бы у вас был доступ ко всем текущим земным знаниям, технологиям бронзового века и людям в вашем распоряжении (для добычи и тому подобного материала), было бы выполнить некоторые простые объемные математические вычисления с использованием нескольких систем.

Например, я бы знал вес железа, бронзы, латуни, меди, олова и т. д. на кубический метр или фунт на фут. и я могу придумать правильный размер для обоих навскидку. Поскольку мы можем преобразовать с еще большей точностью, если мы не сможем преобразовать нашу третью систему в них обоих, а затем друг в друга, мы будем знать, что ошиблись, и просто проработаем это путем тестирования и неудачи, пока не получим правильные размеры.

Другой способ сделать это, если вы построили какую-то камеру или у вас есть мобильный телефон, который может, — это просто сбрасывать вещи с высоких мест с камерой, делающей снимки, когда они падают. И снова, используя несколько систем и свою, вы просто конвертируете и находите скорость падения, которую вы бы знали число раз с вашей базой знаний, потому что после определенного момента все перестает ускоряться.

Другой способ определить это - посмотреть на солнце и измерить его или луну, когда они движутся по небу, расстояние до которого мы знаем, и, таким образом, можем получить число из...

В конечном счете, все способы, вероятно, дадут вам шкалу от метра до миллиметра, но, опять же, как только вы получите приблизительную оценку этого, вы можете довольно легко сопоставить меру между несколькими вещами, как в первом варианте, и довольно легко получить это довольно точно.

Я не считаю измерение сложной частью вашего вопроса, потому что, если у вас есть технология для этого, это довольно просто, учитывая все знания. Теперь, если бы вы попросили меня обработать стержень, а не сказать, будет ли он такой точной длины и когда, это было бы более серьезной проблемой, потому что для этого требуются точные инструменты, которые потребуют навыков и материалов, которые должны быть созданы в масштабе цивилизации, чтобы овладеть им. . Смогли бы вы сделать это за всю жизнь? Да... если бы все вас слушали и работали с вами, вы могли бы легко. Проблема в том, что они этого не сделают, и поэтому в лучшем случае вы сможете только записать это или попытаться убедить ответственных лиц, что текущая цивилизация слушает вас.

Предположим, что все материалы, химия и т. д. одинаковы, у вас есть базовые технологии и научные знания, но у вас нет артефактов: даже вашего размера.

Вода такая же, поэтому вы можете построить термометр со шкалой Цельсия.

Любой подходящий химический состав батареи даст вам ориентир для стандартной шкалы напряжения.

Используя известное отношение э/м электрона, трубка э/м даст вам шкалу для стандартного измерения силы тока в амперах.

Наконец, тепловые свойства воды позволят вам создать эталоны на литр и куб.см. Из них можно получить рабочие килограммы и метры.