Единицы измерения: учёные, чьими именами они названы

Мы произносим «вольт», «ампер», «ватт» или «герц» и почти не замечаем, что каждый раз называем чью-то фамилию. Перед нами редкий вид научного бессмертия: человек умирает, а его имя остается на зарядке, лампочке, роутере, медицинском приборе и в школьной задаче. И если вы до сих пор задумывались, для чего вообще нужны списки или чек-листы, узрите: для того, чтобы в одной статье собрать несобираемых вместе ученых. Но для начала...

От метра до ампера: что такое СИ

Что такое вообще величина? Свойство, которое можно измерить: длина, масса, время, температура, сила тока. Собственно, единица — договорённая величина, с которой сравнивают результат измерения.

Её официальное название — Международная система единиц, или СИ. Формально её установила Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 году. Она выросла из более ранней метрической традиции: развитие метрической системы дало миру общий язык измерений, а СИ превратила его в согласованную Международную систему единиц.

В ней есть семь основных единиц:

• метр — единица длины;
• килограмм — единица массы;
• секунда — единица времени;
• ампер — единица силы тока;
• кельвин — единица термодинамической температуры;
• моль — для величины Количество вещества;
• кандела — единица силы света.

Измерения длины начинаются с метра, измерения массы — с килограмма, а единицы измерения времени в Международной системе привязаны к секунде. Всё остальное можно выстроить поверх них: основные и производные единицы образуют единую систему.

Производные единицы собираются из основных. Например, единица силы ньютон — это кг·м/с², паскаль — ньютон на квадратный метр, а вольт можно выразить через ватт и ампер. В Международной системе такая взаимосвязь — не случайность, а один из главных принципов.

Кстати, и тут кроется ловушка! Фраза «единица веса — килограмм» привычна, но с точки зрения физики неверна: килограмм измеряет массу, а вес — сила, поэтому в СИ он выражается в ньютонах.

СИ — далеко не единственная из существовавших системы мер. Дюйм, фут, миля и другие неметрические единицы продолжают использоваться и сегодня. Дюйм, например, с 1959 года точно привязан к метру: 1 дюйм = 25,4 мм. Поэтому даже в привычной англо-американской системе мер за многими значениями сегодня незримо стоит метр.

А следит за международным единством измерений Международное бюро мер и весов — Бюро мер и весов, созданное после подписания Метрической конвенции 1875 года.

Даже обозначения единиц подчиняются правилам. Если единица названа в честь человека, её полное название пишется со строчной буквы, зато символ начинается с прописной: вольт — V, ампер — A, ватт — W, ньютон — N.

А теперь — к конкретным людям.

Итак, список учёных, ставших единицами

• Алессандро Вольта — вольт (V)
• Андре-Мари Ампер — ампер (A)
• Георг Ом — ом (Ω)
• Джеймс Ватт — ватт (W)
• Майкл Фарадей — фарад (F)
• Генрих Герц — герц (Hz)
• Блез Паскаль — паскаль (Pa)
• Исаак Ньютон — ньютон (N)
• Джеймс Прескотт Джоуль — джоуль (J)
• Никола Тесла — тесла (T)
• Уильям Томсон, лорд Кельвин — кельвин (K)
• Вильгельм Рентген — рентген (R)

Алессандро Вольта — вольт (V)

Что измеряет: электрическое напряжение.

Вольтов столб представлял собой последовательность дисков из разных металлов, разделённых материалом, пропитанным электролитом. Но особенно хороша предыстория изобретения.

Вольта спорил с Луиджи Гальвани, который исследовал сокращения мышц лягушки и говорил о «животном электричестве». Вольта считал, что дело прежде всего в контакте разных металлов, и решил построить источник тока, которому лягушка вообще не понадобится.

Получилась батарея. Причём наука позднее выяснила, что история была сложнее и Гальвани тоже нащупал реальное биоэлектрическое явление. В итоге один спор подарил физике сразу два знаменитых имени — гальванизм и вольт.

Вольт — производная единица: 1 V = 1 W/A.

Андре-Мари Ампер — ампер (A)

Что измеряет: силу электрического тока.

Ампер — особенный участник нашего списка: это не Производная единица, а одна из Семь основных единиц СИ.

В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед показал связь электрического тока и магнетизма. Ампер практически немедленно включился в исследования и начал выстраивать математическое описание взаимодействия электрических токов. Именно поэтому его считают одним из основателей электродинамики.

Если представить электрическую цепь как поток, ампер показывает интенсивность этого потока: ток в 1 ампер соответствует переносу электрического заряда в 1 кулон за секунду.

То есть силы тока могут быть огромными или крошечными, но фамилия французского физика остаётся рядом в любом случае.

Георг Ом — ом (Ω)

Что измеряет: электрическое сопротивление.

Закон Ома знаком каждому, кто хоть раз встречался со школьной физикой (или слушал небезызвестную песню небезызвестной группы): I = U/R.

Работы Ома в 1820-х годах встретили далеко не восторженно. Его математический подход критиковали, а широкое признание пришло значительно позже. В 1841 году Лондонское королевское общество наградило Ома медалью Копли.

1 Ω = 1 V/A.

Так что в розетке у нас Вольта, ток измеряет Ампер, а сопротивляться всему происходящему помогает Ом. Прекрасно устроенная компания.

Джеймс Ватт — ватт (W)

Что измеряет: мощность.

Ватт не изобрёл паровую машину с нуля — это популярное упрощение. Он значительно улучшил уже существовавшую машину Ньюкомена, прежде всего разработав отдельный конденсатор, который позволил резко уменьшить потери энергии.

И ещё один красивый миф можно отправить в отставку: Ватт вовсе не остался бедным непризнанным гением. Его сотрудничество с промышленником Мэттью Болтоном стало успешным, а к 1780 году дела Ватта шли уже вполне неплохо.

1 ватт = 1 джоуль в секунду.

Поэтому ватт встречается буквально повсюду — от ламп и зарядных устройств до электродвигателей.

Майкл Фарадей — фарад (F)

Что измеряет: электрическую ёмкость.

История Фарадея прелестна: он происходил из небогатой семьи и подростком стал учеником переплётчика. Книги, которые проходили через мастерскую, Фарадей читал — особенно научные. Потом начал посещать лекции, сделал подробный конспект выступлений знаменитого химика Гемфри Дэви и в итоге получил работу в Королевском институте.

Дальше были электромагнитная индукция, исследования электролиза и в 1821 году — первое непрерывное электромагнитное вращение, фактически предок электродвигателя.

Фарад — очень большая единица ёмкости, поэтому в обычной электронике чаще встречаются микрофарады, нанофарады и пикофарады.

Вот зачем существуют кратные и дольные единица — точнее, если соблюдать русский язык, кратные и дольные единицы. Кратные единицы, наоборот, помогают не писать огромные числа: например, километр — тысяча метров, мегагерц — миллион герц.

Генрих Герц — герц (Hz)

Что измеряет: частоту.

1 Hz — одно периодическое событие в секунду.

В 1880-х Герц экспериментально получил и обнаружил электромагнитные волны, подтвердив важнейшее следствие электромагнитной теории Максвелла. В 1886 году ему удалось передать электромагнитную волну от передатчика к приёмнику в свободном пространстве.

Спустя десятилетия эти принципы станут фундаментом радио и огромного семейства беспроводных технологий.

Так что 60 Hz в электросети, мегагерцы радиостанции и гигагерцы процессора — очень разные явления, измеренные одной фамилией.

Блез Паскаль — паскаль (Pa)

Что измеряет: давление и механическое напряжение.

1 Pa — давление, при котором сила в 1 ньютон действует на площадь 1 м².

Паскаль успел быть математиком, физиком, философом, исследователем жидкостей и создателем одной из первых механических вычислительных машин. Свою «Паскалину» он начал разрабатывать в 1642 году, чтобы облегчить отцу расчёты, связанные со сбором налогов.

А эксперименты с атмосферным давлением привели к знаменитому опыту на Пюи-де-Дом, подтвердившему, что давление воздуха уменьшается с высотой.

Сам паскаль довольно мал: стандартное атмосферное давление равно 101 325 Pa. Поэтому в метеорологии удобнее пользоваться гектопаскалями.

Исаак Ньютон — ньютон (N)

Что измеряет: силу.

Для измерения силы в СИ используется ньютон. 1 N — сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с².

А теперь пора реабилитировать знаменитое яблоко хотя бы наполовину! Историю о падающем  на голову ученому фрукте записал друг Ньютона Уильям Стакли в 1752 году — причём со слов самого учёного. Яблоко, конечно, не ударило Ньютона по голове и не выгрузило ему в мозг готовый закон всемирного тяготения. Но рассказ о том, что падающий плод подтолкнул его к размышлениям о природе гравитации, имеет реальный ранний источник.

Ньютон заодно прекрасно показывает, как работают производные единицы: 1 N = 1 kg·m/s². Поняли? 

Джеймс Прескотт Джоуль — джоуль (J)

Что измеряет: энергию, работу и количество теплоты.

Джоуль изучал превращение механической работы в тепло и помог экспериментально установить связь между разными формами энергии.

Причём путь в большую физику у него был довольно необычный: Джоуль вырос в семье пивоваров, работал в семейном бизнесе и проводил исследования фактически как независимый учёный. Его знаменитые опыты с мешалкой в воде помогли количественно связать механическую работу и нагрев.

1 J = 1 N·m. А поскольку 1 W = 1 J/s, Ньютон, Джоуль и Ватт буквально оказываются соседями в одной формуле.

Никола Тесла — тесла (T)

Что измеряет: магнитную индукцию.

Тесла — ещё одна Производная единица СИ:

1 T = 1 Wb/m².

Название было принято в честь Николы Теслы, чьи работы с переменным током и вращающимся магнитным полем стали важной частью истории электротехники. Сегодня в теслах, например, выражают магнитное поле томографов.

Ирония вполне достойна самого Теслы: человек, чьё имя окружено огромным количеством легенд и мистификаций, оказался увековечен в очень строго определённой физической величине.

Уильям Томсон, лорд Кельвин — кельвин (K)

Что измеряет: термодинамическую температуру.

Кельвин — вторая после ампера единица из нашего списка, входящая в Основные единицы СИ.

0 K соответствует −273,15 °C, то есть абсолютному нулю.

Но фразу «при абсолютном нуле всё движение молекул полностью прекращается» лучше оставить учебникам XIX века. Классическая физика действительно приводила к такому представлению, однако квантовая механика допускает нулевые колебания даже при абсолютном нуле.

И маленький метрический этикет: правильно говорить 300 кельвинов, а не «300 градусов Кельвина». Символ — K, без значка °.

Вильгельм Рентген — рентген (R)

Что измеряет: исторически — экспозицию рентгеновского и гамма-излучения.

В 1895 году Рентген обнаружил неизвестное излучение и назвал его X-лучами. На знаменитой первой рентгенограмме руки его жены Берты отчётливо видны кости и кольцо.

Для экспозиции в СИ используется кулон на килограмм, а 1 R точно равен 2,58 × 10⁻⁴ C/kg. Для поглощённой дозы применяется грей, а для эквивалентной и эффективной дозы — зиверт.

То есть имя учёного осталось и в языке, и в медицине, а единица, Названа в честь Рентгена, оказалась за пределами современной Международной системе единиц.

Важно заметить, что рентген не является единицей СИ.

Так кто же из них действительно находится в СИ?

Из всей компании только ампер и кельвин — основные единицы.

Вольт, ом, ватт, фарад, герц, паскаль, ньютон, джоуль и тесла — производные единицы со специальными названиями.

А рентген — историческая внесистемная единица.

Всего среди единиц международной системы единиц гораздо больше фамилий: кулон, вебер, генри, сименс, беккерель, грей, зиверт и другие. Поэтому наш список — далеко не полный.

И это не случайный музей знаменитостей. Названия единиц международной системы единиц позволяют прятать громоздкие комбинации базовых единиц за короткими словами. Гораздо приятнее написать «паскаль», чем каждый раз произносить «килограмм на метр-секунду в квадрате».

И ещё немного о мерах

Любая физическая величина требует понятного способа измерения. Поэтому человечество веками изобретало свои системы мер: футы, локти, мили, фунты, дюймы — иногда один и тот же термин даже имел разные значения в разных местах.

В любой системе мер главная проблема одна: нужно, чтобы люди одинаково понимали, что именно означает конкретная единица. Современную систему единиц создавали именно для того, чтобы измерения физических величин можно было одинаково понимать в лаборатории Парижа, на заводе в Токио и в космическом аппарате.

Мера длины больше не должна зависеть от размера чьей-либо руки или ноги. Необычные единицы при этом никуда не исчезли, а история знает немало самых странных способов измерить что-нибудь — от лошадиных сил до совсем экзотических неофициальных мер. 

С 2019 года вся СИ устроена ещё изящнее: определения единиц СИ опираются на фиксированные значения фундаментальных физических констант — скорости света, постоянной Планка, элементарного заряда, постоянной Больцмана и других.

То есть когда-то эталоном могла быть металлическая линейка в хранилище, а теперь сама природа играет роль линейки. И, пожалуй, это достойное продолжение списка: Вольта, Ампер, Ньютон и остальные получили памятники, которым не нужны площади и постаменты. Их фамилии каждый день возникают там, где кто-нибудь что-нибудь измеряет.

Список ссылок

[1] Официальный источник по СИ, семи базовым единицам, производным единицам и правилам их обозначения. SI Brochure — BIPM BIPM
[2] Базовые и производные единицы, вольт, ом, фарад, ньютон, паскаль, джоуль, ватт и кратные и дольные приставки. NIST Guide to the SI NIST
[3] Письмо Джозефу Бэнксу от 20 марта 1800 года — оригинальный документ, в котором Вольта сообщил Королевскому обществу о своём источнике электрического тока. Письмо Алессандро Вольты — The Royal Society makingscience.royalsociety.org
[4] Биография Фарадея: работа переплётчиком, приход в Королевский институт и научная карьера. Michael Faraday — Royal Institution Royal Institution
[5] Ранний источник знаменитой истории о яблоке и размышлениях Ньютона о гравитации. Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life — The Royal Society catalogues.royalsociety.org
[6] О Джоуле, его опытах с механической работой и теплом и знаменитой установке с мешалкой. James Prescott Joule — American Physical Society aps.org
[7] Об открытии X-лучей в 1895 году и работе Рентгена, за которую он получил первую Нобелевскую премию по физике. Wilhelm Conrad Röntgen — Nobel Prize Нобелевская премия
[8] Официальная таблица семи основных единиц СИ и объяснение современной системы их определения через фундаментальные физические константы. SI base units — BIPM