Mokslas ir IT

2019.05.26 18:33

Kilogramas pūkų ar kilogramas švino – kaip mes išmokome matuoti svorį, laiką ir kitus matus

Tautvydas Lukaševičius, LRT.lt2019.05.26 18:33

Dydis, svoris, laikas – visi šie matai padeda mums suvokti ne tik aplinką, bet ir mus pačius joje. Nors mokslininkai vis dar aršiai ginčijasi, ar yra visiškai masės neturinčių dalelių, pasaulį apskriejo žinia, jog bus atsisakoma kilogramo fizinio etalono. Kodėl, kokių įdomybių slepia matų sistemos ir ar tikrai laimingi laiko neskaičiuoja?

Paskutinės kilogramo dienos

Kilogramo etalonas, vadinamas „Le Grand K“ – poliruotas platinos ir iridžio lydinio cilindras, nuo 1889 metų laikytas vieninteliu tikruoju kilogramo masės atitikmeniu, išeina į užtarnautą poilsį.

Praėjusį lapkritį buvo nuspręsta pakeisti kilogramo ir kitų prekybai bei mokslui svarbių vienetų apibrėžimus, pritaikant juos 21 amžiaus poreikiams ir pasiekimams. Kilogramas buvo paskutinysis matas, pagrįstas fiziniu objektu.

Dabar masė bus apibrėžiama pagal Plancko konstantą – santykį tarp kvantinės energijos kiekio, pernešamo tam tikro dažnio šviesos bangų, ir to paties dažnio, tai yra, 6,626 x 10⁻³⁴ džaulio sekundžių. Energija yra glaudžiai susijusi su mase – tai rodo garsioji Alberto Einsteino formulė.

Naujo apibrėžimo šalininkai sako, kad jis bus mažiausiai milijoną kartų stabilesnis negu fiziniai etalonai ir ateityje galės būti plačiai pritaikomas praktikoje.

Dėl farmacijos ir chemijos pramonės pažangos vaistų sudedamųjų dalių kiekiai vis dažniau matuojami mikrogramais, todėl reikalingas vis didesnis tikslumas.

Be to, kitaip negu fizinis objektas, formulė negali apdulkėti, suirti bėgant laikui, būti numesta ir apgadinta. Taip pat tikimasi, kad naujasis apibrėžimas leis daug tiksliau atlikti ne tik labai mažų, bet ir labai didelių masių matavimus.

Kubitas atitiko faraono rankas

Manoma, jog nuo tada, kai pradėjo mąstyti, žmogus pradėjo ir viską matuoti – laiką, kelią, tūrį, greitį. Žinomi tokie pasakymai kaip „mažas kaip pipiras“, „lengvas kaip plunksna“, „sunkus kaip akmuo“ – jie suteikia tam tikros informacijos.

Vienas pirmųjų ilgio etalonų yra kubitas (lietuviškai dar vadinamas uolektimi). Šis etalonas buvo sukurtas senovės Egipte ir atitiko atstumą nuo alkūnės iki ištiestų rankos pirštų galo. Visų mūsų rankos yra skirtingos, kubitas atitiko tuo metu valdžiusio faraono rankos atstumą.

„Galime tik pabandyti įsivaizduoti, kas nutikdavo, kai į valdžią ateidavo kitas faraonas. Įdomu, kad Egipto piramidžių matmenys idealiai dalinasi į sveiką kubitų skaičių to faraono, kuriam ta piramidė yra pastatyta“, – sakė Kauno technologijos universiteto Metrologijos instituto inžinierius Benas Gabrielis Urbonavičius.

Kubitas yra vienas ilgiausiai naudotų ilgio matavimo vienetų, žinių apie jo vartojimą randama iki pat 20 amžiaus.

Vaikščiojo 3 metus

Centralizacija skatino vienetų suvienodijimą. Štai 12 amžiuje atsiranda jau mums žinomi matavimo vienetai – karalius Henrikas I įvedė pagrindinį ilgio vienetą jardą. Tiesa, jis nebuvo apibrėžiamas mums įprasta logika, o suprantamas kaip „atstumas nuo karaliaus nosies iki ištiestos rankos didžiojo piršto“, apytikslė jo vertė – 0,91 m. Anglijoje apibrėžtas ir colis – „trijų grūdų, paimtų iš miežio varpos vidurio, ilgių suma“.

Prie svarbesnių ilgio vienetų priskiriama ir mylia. Pavadinimas kilo iš lotynų kalbos „mille passuum“– „tūkstantis žingsnių“, turint galvoje dvigubą kareivišką žingsnį. Tokia mylia yra apie pusantro kilometro. Pavyzdžiui, anglų statutinė mylia – 1609,3 m., tarptautinė jūros mylia – 1852 m.

3 metų „pasivaikščiojimas“ – taip vadinami pirmieji eksperimentiniai matavimai, siekiant sukurti pirmąjį metro prototipą. B. G. Urbonavičius pasakoja, jog visas procesas prasidėjo dar 1793 ir truko apie 6 metus, kai Prancūzija nusprendė sukurti ilgio matą kuris būtų nekintantis. Iki metro atsiradimo nebuvo jokios vieningos matų sistemos atskirose šalyse, nekalbant apie tarptautinę. Buvo nuspręsta ilgio matą pririšti prie mūsų Žemės rutulio matmenų, tačiau tam reikėjo atlikti didelio nuotolio matavimų.

Ar tikrai laimingi laiko neskaičiuoja?

Pirmieji žmonijos istorijoje laiko matavimo prietaisai yra saulės laikrodžiai, naudoti dar prieš 4000 metų. Lietuvoje iki šių dienų išlikę seniausi saulės laikrodžiai yra Kretingos vienuolyne (apie 1610 m.), Šiauliuose ant bažnyčios sienos (1625 m.), Pažaislio architektūriniame ansamblyje (apie 1700 m.), Švėkšnoje (XIX a.) įkurti saulės laikrodžiai. Greičiausiai daugeliui puikiai pažįstamas Parnidžio kopos saulės laikrodis Nidoje, o štai didžiausias (80 kv. m) vertikalusis saulės laikrodis Lietuvoje puošia KTU studentų miestelį.

Norint tiksliai matuoti laiką, reikėjo ne tik tam skirto prietaiso, tačiau ir tam tikros skaičių sistemos. Apie tai pirmieji svarstė šumerai, kurie sukūrė šešiasdešimtainę sistemą. Manoma, jog ji sukurta remiantis skaičiavimu ant rankų pirštų. Vienos rankos nykščiu būdavo skaičiuojami 4 likusių pirštų sąnariai, kurių iš viso yra 12. Po pastarąją vertę priskiriama ir keturiems kitos rankos pirštams. Tokia skaičiavimo sistema leisdavo suskaičiuoti iki 60. Kadangi skaičius 60 dalomas iš daugybės mažesnių skaičių, jis tapo puikiu centriniu skaičiumi laikui matuoti. Skaičius 12 taip pat pateko į laiko matavimo sistemą, suskirsčius dienas ir naktis į 12 valandų periodus, o metus – į 12 mėnesių. 

Šaltyje neveikę laikrodžiai

Seniausias istorijoje vandens laikrodis (1500 m. pr. Kr.) buvo rastas senovės Egipto faraono kape. Tokio tipo laikrodžiai buvo arba cilindro, arba dubens formos moliniai indai, kurių veikimas rėmėsi vandens lygio matavimu. Žinomi du vandens laikrodžių tipai: pritekėjimo modelis, kuris skysčiu yra pildomas, ir ištekėjimo modelis, kai skaičiuojama, kiek vandens lieka.

Valandos būdavo sužymėtos ant pačių indų. Jeigu per vieną valandą vandens lygis inde sumažėdavo per centimetrą, tai reiškė, kad, vandens lygiui sumažėjus dviem centimetrais, būdavo praėjusios 2 valandos. Vis dėlto tokie laikrodžiai turėjo minusų. Jie neveikė šaltyje, nes vanduo virsdavo ledu.

Pridedame sekundžių

Po didžiulės kvarcinių laikrodžių sėkmės atrodė, kad nebėra, kur tobulėti, tačiau istorija ne kartą įrodė tokio požiūrio naivumą. Taip nutiko ir šį kartą – sukurti atominiai laikrodžiai. Nuo 1955 metų, kai šie pažangūs prietaisai buvo panaudoti pirmą kartą, sukonstruoti trijų pagrindinių tipų atominiai laikrodžiai: cezio, vandenilio ir rubidžio.

Šiandien sekundės trukmės suvokimas remiasi būtent cezio atominio laikrodžio parodymais. Tokie laikrodžiai veikia elektronams tam tikruose energijos lygmenyse skriejant aplink branduolį, tačiau absorbavus ar išlaisvinus energiją, šie elektronai gali atitinkamai „peršokti“ aukštyn ar žemyn į kitą energijos lygmenį. Cezio atomo elektronus judėti tarp energijos lygmenų priverčia lazeris, užtikrinantis, jog jų skleidžiama spinduliuotė visuomet bus to paties dažnio, kuris ir yra naudojamas laiko „tiksėjimui“ skaičiuoti. Toks metodas užtikrina neįtikėtinai preciziškus matavimus. Skaičiuojama, jog tiksliausi atominiai laikrodžiai per daugiau nei 50 milijonų metų turėtų atsilikti vos viena sekunde.

Prieš 2016 m. gruodžio 31 d. vidurnaktį pasaulis gavo papildomą sekundę, kuria siekta kompensuoti faktą, kad Žemė sukasi šiek tiek lėčiau. Modernūs atominiai laikrodžiai yra pernelyg tikslūs nepastoviam Žemės sukimosi greičiui. Tam, kad standartinis laikas neatsiliktų nuo atominių laikrodžių, nuo 1972-ųjų metų jau buvo pridėtos net 26 vadinamosios keliamosios sekundės.

Laiko matavimas jūroje

1714 metais Britanijos vyriausybė išleido „Ilgumos aktą“ (angl. Longitude Act), kuriuo siūlyta 20000 svarų premija už tinkamai jūroje veikiančio laikrodžio sukūrimą. Tokioms jūrinėms valstybėms buvo labai svarbu žinoti savo laivų pozicijas. Vis dėlto jūroje tuometiniais švytuokliniais laikrodžiais laiką sekti buvo sudėtinga, nes jų tikslumą iškraipydavo temperatūros pokyčiai, drėgmė ir paties laivo siūbavimas.

Ledus pralaužė Johnp Harrisono sukurtas prietaisas „H4“. Tai buvo pirmasis jūrinis chronometras, viduje turėjęs spyruoklės ir balanso mechanizmą.

Pirmiausiai pagal Saulės padėtį dangaus skliaute būdavo nustatomas vietinis laikas, kuris palyginamas su chronometro laiku. Jis būdavo nustatomas tam tikrame atskaitos taške (pavyzdžiui, kelionės pradžioje). Naudodami šią sistemą, jūreiviai galėdavo nustatyti laiko skirtumą ir taip sužinoti, kurioje pasaulio vietoje jie yra.