О физических константах и единицах измерения

     — ...мы с вами привыкли к этим единицам, они ориентируют нас в пространстве и времени. Мы пользуемся ими с детства, редко задумываясь об их физической сущности.
     Возьмём для начала время. Основной единицей измерения объявлена секунда. Сама она является одной три тысячи шестисотой частью часа, а тот, в свою очередь, одной двадцать четвёртой частью суток — продолжительности полного оборота нашей планеты вокруг своей оси. Давным-давно кому-то пришла в голову мысль разбить циферблат часов на двенадцать частей, а позднее каждую из них ещё на пять. Вот и получили в итоге шестьдесят минут и секунд. Могли же поделить круг не на двенадцать частей, а на восемь — это гораздо проще, или на десять и сто, как в привычной десятичной системе. Имели бы тогда совсем другие минуты и секунды. Кстати, такие предложения выдвигались, но не получили поддержки. А эталон секунды теперь определяется атомными часами и выражается через количество периодов излучения изотопа цезия. И число это не только чрезвычайно велико, но и на наш бытовой взгляд кривоватое — девять миллиардов сто девяносто два миллиона с мелочью.
     Или размеры и расстояния. Основная единица — метр. Она тоже получилась из наблюдений, и, что самое интересное, на основе уже упомянутой секунды. За метр первоначально была принята длина маятника с полупериодом в одну секунду. Потом, правда, выяснилось, что на эту длину влияет география: она зависит от широты места. Тогда в качестве эталона стали использовать специальные металлические профили из особых сплавов. Ими пользовались, пока не понадобились более точные и неизменные эталоны. Сравнительно недавно в таком качестве выступала длина волны излучения изотопа криптона, умноженная на другое корявое число — примерно один миллион шестьсот пятьдесят одна тысяча. Теперь же за эталон метра принято расстояние, которое свет проходит в вакууме за время, чуть меньшее одной трёхсотмиллионной доли секунды. Интересно, не правда ли? Мы вернулись к определению эталона расстояния через время, но с важным дополнением. В основе нашего эталона не только выдуманная человеком секунда, но и физическая константа — скорость света в вакууме. Во всяком случае, если исходить из предположения, что это константа, но об этом позже...
     Масса... И тут не обошлось без подручных средств. Взяли доступное повсюду вещество — воду — и объём, выраженный через уже известные метрические меры длины. Вот вам и килограмм. Потом, правда, тоже пришлось создавать другой эталон, из специального сплава. Что любопытно, им пользуются до сих пор в отличие от аналогичного эталона метра. Не договорились пока физики, как иначе его определить. Примечательно, что очень давно существует понятие атомной единицы массы. Вначале она определялась по водороду, позднее по кислороду, сейчас по углероду, однако из-за наличия разных изотопов у одного и того же химического элемента в качестве общепризнанного эталона атомная единица массы так и не состоялась. В последние годы появлялись сообщения, что новый эталон массы будет разработан на основе постоянной Планка, но окончательное решение отложили до 2018 года...
     Следующий важный физический параметр — электрический заряд, количество которого обычно измеряют в кулонах. Тут надо бы заметить, что в ядерной физике уже давно используют такую единицу, как электрон–вольт. Электрон–вольт появился на основе фактически природной константы — заряда электрона, минимально возможного устойчивого электрического заряда в природе. Как и в случае с другими константами, соотношение с общепринятым эталоном — кулоном — выражается числом с огромным количеством знаков.
     Полезно вспомнить и такую характеристику, как температура. То, что она измеряется в градусах, все знают с детства. То, что градусы бывают разные, тоже многим известно, хотя чем именно отличается шкала Фаренгейта от шкалы Цельсия, уже не каждый скажет, но для нашего рассмотрения это несущественно. Важнее, что температура связана с внутренней энергией объекта и есть возможность выразить взаимосвязь этих характеристик посредством очередной физической константы — постоянной Больцмана. Представляет она собой некий коэффициент, вычисленный с точностью до n-ного знака.
     Можно вспомнить ещё одну известную константу — гравитационную постоянную. Как и многие другие константы, она также выражается числом с неограниченным количеством знаков после запятой и используется в качестве коэффициента в разных формулах.
     Собственно, к чему эти рассуждения... К тому, что по мере развития науки становились известными некие базовые параметры окружающего нас мира. Они, что естественно, вычислялись на основе существующей системы единиц измерения. На каком-то этапе, что тоже естественно, возникла идея перевернуть ситуацию с головы на ноги и уже основные эталоны определять через физические константы. Такой подход весьма продуктивен с точки зрения представлений о мире как о чём-то едином. Вместе с тем, он полезен и из чисто практических соображений, поскольку позволяет использовать эталоны недостижимой в прошлом точности и стабильности. Идею о переходе к новой системе единиц, основанной на физических константах, выдвинул ещё Макс Планк на рубеже девятнадцатого и двадцатого веков, но до сих пор она так и осталась нереализованной.
     Есть, однако, одно замечание, на что обращают внимание и сами физики. Касается оно самого существования физических констант. Да, установлены соотношения между различными физическими характеристиками: массой, энергией, частотой излучения и так далее. Эти соотношения с высокой точностью подтверждаются многочисленными экспериментами. И тем не менее, гарантированно утверждать, что физические константы являются именно константами, несколько преждевременно. Вы, например, знаете, что скорость света в какой-либо среде отличается от скорости света в вакууме, но не будем однозначно отрицать, что и свойства вакуума в разных концах Вселенной могут отличаться. Да и вообще, почему её значение именно таково? Напрашивается естественная аналогия со скоростью звука, которая зависит от многих параметров, в первую очередь, от плотности среды и её температуры. Не исключено, что по мере развития науки мы станем оперировать такой характеристикой, как плотность пространства (или, что многим ближе, плотность эфира). И она совсем необязательно будет измеряться массой в единице объёма. К слову, уже сейчас используют такое понятие, как плотность энергии вакуума, измеряемую в джоулях на кубический метр.
     Относительно гравитационной постоянной есть гипотезы и полученные на их основе уравнения, при помощи которых её значение можно вычислить исходя из других неизменных параметров. Что касается природы самой гравитации, как и других полей: электрического, магнитного, — есть немало интересных гипотез, но многие из них в той или иной степени предполагают наличие некой субстанции, условно именуемой эфиром. Вот как объяснить, например, существование силовых линий? Откуда они берутся и почему располагаются именно так? Не будем ещё вспоминать эзотерику и всякие биополя. Официальная наука в настоящее время исходит из того, что никакого эфира нет, приводя в качестве доказательств результаты экспериментов. Оно, конечно, так, только кто поручится, что завтра не поставят новый опыт? И потом, не надо забывать, что наши технологии, хоть и продвинулись очень далеко со времён Ньютона и даже Эйнштейна, пока не способны создавать столь чувствительные детекторы. Не стоит сбрасывать со счетов и возможность какого-нибудь случайного открытия, как часто бывало.
     Однако мы несколько отвлеклись. Вернёмся к нашим единицам измерения. Как говорилось в самом начале, они столь привычны лишь потому, что знакомы с детства. Если детям ещё со школьной скамьи, а то и раньше, рассказать о других единицах, да ещё понуждать к их использованию, можете не сомневаться: они прекрасно будут в них ориентироваться. Вы и сами смогли бы это делать не хуже, да только лень.
     Вот наглядный пример. Приезжая в другую страну, вы сталкиваетесь с другими деньгами, ценами, выраженными в этих деньгах, но очень скоро начинаете понимать, что почём. А всё потому, что это прямо влияет на вашу жизнь и ваш карман. Карман является одним из лучших стимуляторов мозговой активности, не то что абстрактные размышления о том, в каких единицах измерять время или расстояние, да и всё остальное...
     Так что мы имеем в итоге?
     Чтобы не очень сильно удаляться от привычных нам единиц, время, например, можно было бы измерять в экзосекундах, точно соответствующих десяти миллиардам колебаний того же изотопа цезия. Тогда наша экзосекунда получилась бы несколько продолжительней — примерно одна целая и восемьдесят восемь тысячных обычной секунды.
     Что у нас дальше? Размеры... Экзометр: определим его как расстояние, которое проходит свет в вакууме за одну двухсотпятидесятимиллионную долю экзосекунды. С учётом соотношения между секундой и экзосекундой получим, что экзометр составит около одного метра и тридцати с половиной сантиметров.
     Понятно, что экзометр может быть совсем иным, если отталкиваться не от одной двухсотпятидесятимиллионной доли экзосекунды, а от одной миллиардной. В таком случае длина экзометра составит примерно тридцать два – тридцать три сантиметра, что, кстати, очень близко к футу. То же и с экзосекундой: если взять вместо десяти миллиардов колебаний другое число, например, один миллиард, её продолжительность составит примерно восемнадцать обычных минут. Очевидно, что такая «секунда» никому не нужна, поэтому целесообразнее оставить десять миллиардов.
     Таким образом можно для всех физических величин создать новые единицы измерения, привязанные не к привычным эталонам, а к кратным значениям физических констант. Будет ли это удобнее, большой вопрос. Например, при переходе на такие экзосекунды мы не смогли бы пользоваться привычным часовым циферблатом. Ведь тогда в сутках у нас было бы не ровно восемьдесят шесть тысяч четыреста секунд, а примерно семьдесят девять тысяч четыреста двадцать одна экзосекунда. Поделить это число на удобное количество часов и минут равной продолжительности невозможно, но даже самое ближайшее удобное число — семьдесят девять тысяч четыреста двадцать — на двадцать четыре без остатка не делится. Это значит, что в наших сутках будет нецелое число экзочасов либо их количество не будет равно двадцати четырём, а продолжительность экзочаса будет заметно отличаться от нашего обычного часа. При этом мы получим ту же проблему с количеством экзоминут в экзочасе, с которой уже так просто не справиться. Если мы непременно хотим в экзосекунде уложить «красивое» количество колебаний (например, те же десять миллиардов), да ещё при условии, что по продолжительности она будет близка нашей секунде, придётся использовать какой-нибудь другой изотоп, с иной частотой излучения.
     Рассмотрим теперь скорость. Чаще всего её измеряют километрами в час или метрами в секунду. Описанные здесь экзоединицы расстояния (экзометр и экзокилометр) примерно на тридцать процентов больше обычных (метра и километра соответственно). Рассмотренная ранее экзосекунда дольше обычной примерно на восемь и восемь десятых процента. При таких условиях скорость один экзометр в экзосекунду составит около одного и двух десятых метра в секунду. Что касается скорости один экзокилометр в экзочас, то, чтобы её определить, прежде необходимо установить продолжительность экзочаса, а как мы только что видели, это совсем непросто.
     С другой стороны, не так всё страшно. Экзоединицами можно пользоваться в науке, технике, а в быту — привычными нам единицами. Мы же пользуемся до сих пор миллиметрами ртутного столба, калориями, лошадиными силами, и никто от этого не страдает — ни мы сами, ни наука...


     IV.2016


Рецензии
На это произведение написано 9 рецензий, здесь отображается последняя, остальные - в полном списке.