Вид с высоты

Азимов Айзек

Измерение температуры — дело новое, известное всего лет триста пятьдесят. Чтобы прийти к измерению температуры, нужно было сначала осознать, что существуют явные физические особенности, изменяющиеся более или менее плавно в соотношении с нашими субъективными ощущениями перемены от «холодного» к «теплому». А коль скоро такое свойство замечено и измерено количественно, мы можем заменить субъективное «что-то жарко становится» объективным «термометр показывает на три градуса больше». Одна из самых подходящих физических особенностей, которую, наверное, замечали случайно очень многие люди, — это способность вещества при нагревании расширяться, а при

охлаждении сжиматься. Первым, однако, кто попытался использовать ее для измерения температуры, был итальянский физик Галилео Галилей. В 1603 году он опустил перевернутую пробирку с нагретым воздухом в чашу с водой. Охладившись до комнатной температуры, воздух сжался, и вода в пробирке поднялась. Галилей сразу сообразил, в чем дело. Уровень воды продолжал меняться вместе с изменениями комнатной температуры. Воду выталкивало вниз, когда воздух в пробирке нагревался и расширялся, и втягивало в пробирку, когда воздух в ней охлаждался и сжимался. Так Галилео создал термометр (что по-гречески значит «измеритель тепла»). Единственным его недостатком было то, что воздух имел доступ в чашу с водой, а атмосферное давление то и дело менялось. Это тоже заставляло уровень воды то подниматься, то опускаться независимо от температуры и путало расчеты.

К 1654 году великий герцог тосканский Фердинанд II изобрел термометр, который не был подвержен влиянию атмосферного давления. На этот раз в закупоренную трубочку была помещена жидкость, которая сама, расширяясь и сжимаясь, указывала изменение температуры. Объем жидкостей изменяется не так заметно, как объем газов, но, использовав большой резервуар, из которого жидкость могла вытесняться лишь в очень тонкую трубку, Фердинанд легко следил по падениям и повышениям уровня жидкости в трубке даже за самыми малыми изменениями объема.

Это был первый довольно точный термометр и один из немногих случаев, когда голубая кровь внесла вклад в развитие науки.

* * *

С повышением точности измерений постепенно зрела мысль, что, вместо того чтобы просто наблюдать, как повышается и понижается уровень жидкости в трубке, следует нанести на ней через равные интервалы отметки, которые обозначали бы точные количественные меры температуры. В 1701 году Исаак Ньютон предложил поместить термометр в тающий лед и пометить на нем уровень жидкости нулем, а при температуре человеческого тела — числом 12 и получившийся промежуток разделить на 12 равных частей.

Использование двенадцатиградусной шкалы для измерения таких температур было логичным. Англичане питают особое пристрастие к двенадцатиричной системе, а надо ли напоминать, что Ньютон был англичанином? В футе 12 дюймов, в аптекарском фунте 12 унций, в фунте стерлингов 12 шиллингов, в дюжине 12 единиц и в гроссе 12 дюжин. Почему бы и не быть 12 градусам в температурной шкале? Делить шкалу мельче, на числа кратные 12 (скажем, на 24 или 36 градусов), не имело смысла, так как прибор не позволял измерять температуры с такой точностью.

Но в 1714 году немецкий физик Габриэль Даниэль Фаренгейт сделал значительный шаг вперед. В первых термометрах использовались либо вода, либо спирт. Однако вода замерзает и термометр перестает работать уже при не очень низкой температуре, а спирт закипает, приводя в негодность термометр, при температуре совсем не высокой. Фаренгейт решил использовать ртуть. Она остается жидкой даже при температуре значительно ниже точки замерзания воды и не закипает при температуре гораздо более высокой, чем точка кипения спирта. Более того, ртуть расширяется и сжимается под влиянием температуры более

равномерно, чем вода или спирт. Использовав ртуть, Фаренгейт сделал наилучшие из известных тогда термометров.

В своем ртутном термометре Фаренгейт использовал предложение Ньютона, но внес в него кое-какие изменения. Он не взял точку замерзания воды за нуль (может быть, потому, что зимой температура нередко опускается ниже этой точки, а Фаренгейт не хотел усложнять шкалу отрицательными делениями). Вместо этого он решил, что нулевой будет самая низкая температура, какую ему удастся получить в своей лабораторий, а получал он ее, смешивая тающий лед и соль.

Затем он пометил цифрой 12 температуру человеческого тела (как и предлагал Ньютон), но и это ненадолго. Термометр Фаренгейта был так хорош, что делить шкалу лишь грубо на 12 градусов не было никакой необходимости.

Термометр Фаренгейта мог мерить температуру в 8 раз точнее, поэтому Фаренгейт принял температуру человеческого тела за 96 градусов.

При такой шкале точка замерзания воды была немного ниже 32, а точка кипения — немного ниже 212. Фаренгейт, должно быть, обратил внимание на одно счастливое совпадение: разница между двумя этими точками составляет 180 градусов, а число 180 необыкновенно удобно: ведь его можно без остатка поделить на самые разные целые числа: 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 30, 36, 45, 60 и 90. Поэтому, сохранив нулевую точку в первоначальном виде, Фаренгейт решил, что точкой замерзания воды будет ровно 32, а точкой кипения — ровно 212. В результате получилось, что температура человеческого тела равна (примерно) 98,6 градуса — числу нецелому, но это не столь уж и важно. Так появилась шкала Фаренгейта.

* * *

В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий, работая с ртутным термометром, применил другую шкалу. Он отсчитывал температуру вниз от точки кипения воды, приняв ее за 0, а температуру ее замерзания — за 100 градусов. На следующий год он перевернул шкалу, поскольку естественнее было обозначать возрастающими числами увеличение тепла.

Шкала Цельсия стала общепринятой в большей части цивилизованного мира. Ученые находят, что она особенно удобна потому, что в ней жидкое состояние воды укладывается как раз в интервал от 0 градусов в точке замерзания до 100 градусов в точке кипения. Для большей части химических опытов используются водные растворы; вода используется и в физических опытах, связанных с теплотой.

Таким образом, область жидкого состояния воды — это область исследований, а поскольку ученые все больше тяготеют к описанию своих измерений в десятичной системе (вскоре они все перейдут на метрическую систему, которая сплошь десятична), то 0 и 100 их вполне устраивают. Шкала из десяти делений давала бы слишком приблизительные данные, шкала из тысячи делений была бы излишне точной. Таким образом, сто делений — это то, что нужно.

Однако англичане приняли шкалу Фаренгейта. Они привыкли к ней и ввели ее в колониях, которые, став Соединенными Штатами Америки, сохранили ее.

Конечно, в какой-то мере такое постоянство англичан является результатом их «традиционного традиционализма», но в данном случае есть и другая веская причина. Шкала Фаренгейта необыкновенно удобна в метеорологии. Температура воздуха в Западной Европе колеблется самое большее от 0 до 100 градусов по Фаренгейту. Температура ниже 0°Ф или выше 100°Ф в тени там показалась бы крайне необычной. Те же температуры укладывается в шкале Цельсия в интервал от –18 до +38°. Это не только не круглые числа, но и неудобные из-за отрицательных величин.