4 Единицы измерения произвольны, но здесь содержится все для того, чтобы изобрести с нуля стандартную систему, использованную в этой книге
Можете ли вы, пока находитесь в ловушке прошлого, на самом деле заново изобрести систему измерений? Мы бы не стали… исключать такую возможность.
Все единицы измерения совершенно произвольны, но бо́льшая часть[14] человечества согласится с тем, что вы должны сделать свою систему по меньшей мере практичной, положив в ее основу предсказуемые, интуитивно комбинируемые и легкие для воспроизведения элементы. Соответственно, в этом руководстве мы используем метрическую систему мер (которая основана на десятеричном исчислении) и стоградусную температурную шкалу, что гарантирует: вы сможете воссоздать эту систему, в какой бы эпохе вы ни оказались.
Все, что вам нужно, – наша книга и немного воды.
Стоградусная температурная шкала Цельсия определяется так: за 0 °C берется точка замерзания воды, а за 100 °C – точка ее кипения. Поэтому соорудить шкалу легче легкого: просто отметьте эти две точки на своем термометре (см. раздел 10.7.2), разделите отрезок между ними на сто равных частей, и все, дело сделано[15].
«Конкурирующая» шкала Фаренгейта опирается на 0 градусов, которые соответствуют чудной кашице изо льда, воды и соли, которую мистер Фаренгейт по-быстрому сляпал не пойми зачем. Эту шкалу мы больше не будем вспоминать, разве что упомянем, что при 32 оF вода замерзает, а при 212 она кипит… и вы определенно сможете сделать что-то получше.
Если вы предпочитаете использовать шкалу без отрицательных чисел, вы можете изобрести систему Кельвина, где 0 равняется –273,15 °C, самой низкой возможной температуре во вселенной. Вода замерзает при 273,2 К и кипит при 373,2 К, так что это тоже стоградусная шкала.
Теперь у вас есть все, чтобы разобраться с температурой.
Систему весов мы строим вокруг килограмма, который на 2019 н. э. все еще привязан к реальным прототипам килограмма: физической массе куска платины в специальном хранилище, чтобы люди могли показывать на него пальцем и говорить: «Килограмм – то, сколько весит этот вот слиток». Существует каноническая копия – хранится во Франции – и дюжина дубликатов, размещенных по всему миру для удобства и для безопасности: в конце концов, вы же не хотите, чтобы кто-нибудь присвоил единственный килограмм посредством драматического, тщательно спланированного ограбления?
Есть несколько недостатков у этой идеи, даже если отринуть несомненно привлекательную идею «украсть килограмм».
Запасные килограммы время от времени возвращают во Францию, чтобы убедиться, что их вес не изменился, и вот ведь незадача… он меняется. Различные образцы килограмма, что хранятся по всему миру, – даже взятые из первоначального набора из сорока штук в 1884 н. э. – стали весить немного по-разному, постепенно меняя свои характеристики, и пока мы не изобрели путешествия во времени, мы даже не знали почему.
На самом деле все еще хуже: сравнительные измерения показывают, что по весу все прототипы килограмма отличаются один от другого, и это может означать, что все они набирают или теряют массу, просто в случае с некоторыми этот процесс идет быстрее. Поскольку же килограмм является центральной единицей измерения в метрической системе и на нем основаны единицы силы (ньютоны), давления (паскали), энергии (джоули), а также характеристики электрического тока (ватты, амперы и вольты), даже не упоминая миллиарды других единиц, производных от вышеперечисленных, можно легко представить, что даже крошечное изменение значения официального килограмма мигом переопределит (метрическую) тонну других единиц в совершенно разных областях измерений.
СОВЕТ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ЦИВИЛИЗАТОРА:
Существуют серьезные недостатки в том, что в качестве основания для построения современной науки и системы измерений выбран старый кусок металла, который хранится в специальной емкости во Франции.
К счастью для вас, этот кусок металла появится только спустя очень, очень долгое время после вас, и еще вы сейчас узнаете, что этот прототип должен был равняться просто весу 1000 кубических сантиметров воды при температуре в 4 °C. У вас есть вода и имеется средство измерения температуры, так что вам нужно только узнать, насколько велик сантиметр, после чего вы с легкостью воспроизведете килограмм.
Но перед тем как мы займемся этим, заглянем в область терминологии.
Вся метрическая система основана на числе «десять», и количество десяток, на которые нужно умножить или разделить исходную единицу, определяется префиксами. Табл. 6 содержит самые популярные из них, от меньшего к большему.
Таблица 6. Реальная мегатаблица
Сантиметр – это одна сотая метра, и вы знаете это, поскольку видите приставку «санти». Схожим образом слово «километр» говорит вам, что эта штука в тысячу раз длиннее, чем метр: 1000 метров. Мы обычно сокращаем префиксы, пишем «см» и «км».
Осталось только понять, какой длины сам метр.
История метра началась в 1793 н. э., когда он был определен как «одна десятимиллионная от расстояния между экватором и северным полюсом». В 1799 н. э. определение изменили, привязав к материальному прототипу (как и в случае с килограммом), и снова переопределили в 1960 н. э., задействовав длину волны одного изотопа криптона, и переопределили еще раз в 1983 н. э. как точное расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1⁄299792458 секунды.
Учитывая ваши текущие обстоятельства, вы наверняка заметили, что все эти определения выглядят все более и более бесполезными. К счастью, мы тоже это заметили и поэтому просто напечатали линейку длиной в 10 см в этом разделе (рис. 10) и еще одну, может быть, более удобную, на суперобложке[16], так что вам не придется суетиться. Используя ее как основу, вы можете изготовить метр-шаблон, который будет чертовски близок к оригинальному.
Так что теперь у вас есть стандартные единицы измерения для длины, веса и температуры. Единственный первичный параметр, который вам еще необходимо измерять, – время, и он базируется на секунде. Современное определение секунды выглядит на редкость смехотворным «время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133», но вы интуитивно знаете, чему именно она равна – это одна секунда, и все, что вам нужно, это удобный эталон.
Линейка в 10 см
Рис. 10. Линейка. С этой маленькой штучки начинается большая система измерений
Чтобы изобрести и измерять углы, просто разделите любой круг на 360 частей, именуемых «градусами». Это может быть чуточку нудным делом, поэтому мы рекомендуем вам использовать этот транспортир (рис. 11).
Рис. 11. Транспортир для половины круга, но вы можете пустить в ход два таких, чтобы покрыть все 360 градусов
Чтобы изготовить прибор, способный отмерить секунду без помощи цезия-133, вам нужно будет сконструировать простой гармонический изолятор, и этот процесс на жаргоне, не относящемся к починке машин времени, обычно описывают как «привязать камень к веревке». Камень, свободно качающийся на веревке, именуется маятником, и вышло так, что секунда – то время, что требуется любому маятнику на Земле, вне зависимости от веса, чтобы качнуться в одну сторону, если длина веревки 99,4 см.
Это клевое свойство маятников – им всегда требуется одно количество времени на один взмах вне зависимости от того, как далеко вы оттягиваете вес перед тем, как отпустить – делает наш эксперимент очень легким.
Данный факт открыл парень по имени Галилео Галилей в 1602 н. э., но вам придется его просто принять.
Теперь он ваш.
Как мы видели, все другие единицы могут быть выведены из набора исходных. Учитывая наличие мер длины и веса, мы легко получим единицу объема, а именно литр. Обычно его определяют как кубическую область, каждая грань которой равна 10 сантиметрам – и этот самый куб, наполненный водой, будет весить в точности 1 килограмм.
Для звука вы захотите измерить частоту, которая есть просто число колебаний в секунду. «Герц» (Гц сокращенно) – один полный цикл в секунду, так что частота в 20 Гц означает 20 колебаний в секунду. Для физики количество силы, необходимое для того, чтобы ускорить 1 килограмм массы до скорости 1 метр в секунду, будет именоваться ньютоном, количество энергии, затраченное, чтобы перенести этот объект на 1 метр, называется джоулем, а ватт – просто один джоуль в секунду.
Эти единицы могут выглядеть абстрактными, но они сильно пригодятся вам в дальнейшем, когда дело дойдет до более сложных технологий.
Так что маленькая линейка, изображенная чуть выше, открывает дверь не только в мир длины, но и объема, массы, силы, энергии и даже самого времени. Если вы используете страницы нашего руководства в качестве туалетной бумаги (а вы не должны, почему бы вам делать такое, поищите что-нибудь еще), то сохраните страницу с линейкой напоследок[17].