Градусы Цельсия кажутся привычным показателем для измерения температуры, но широкое распространение термин получил только 60 лет назад. До этого во всем мире, кроме США, температуру обозначали по стоградусной шкале — без упоминания фамилии шведского астронома Андерса Цельсия. Ко дню рождения ученого «Хайтек» рассказывает о его жизни и главном открытии — стоградусном термометре, который сильно отличается от термометра Фаренгейта.
В XVIII веке ученые пытались найти наиболее точный способ измерения температуры окружающего пространства и предложили более 30 различных шкал измерения. Чаще всего это были различные вариации двух основных идей — взять за эталон точку замерзания воды, впервые предложенную в 1665 году голландцем Христианом Гюйгенсом, или температуру тела здорового человека.
В 1724 году двое врачей, Габриэль Фаренгейт и Рене Ферхо де Реомюр, почти одновременно предложили шкалы измерения температуры. Фаренгейт в качестве эталона использовал температуру тела здорового человек, установленную на уровне 96 °F. Реомюр предложил принять точку замерзания воды за 0°, а точку кипения — за 80 °Ré.
Через 20 лет Цельсий пересмотрел идею Реомюра — ученый также использовал в качестве эталонов воду в точках кипения и замерзания. Но в своей шкале Цельсий учел давление воздуха. Он провел многочисленные измерения на разных высотах, чтобы понять, какое влияние давление воздуха оказывает на точку кипения. В результате он увеличил шкалу своего предшественника на 20° и перевернул ее, разместив точку кипения на уровне 0 °C, а замерзания — на 100 °C. Швед оправдал такое решение тем, что ему не хотелось, чтобы зимой температура опускалась ниже нуля. Оставь история шкалу Цельсия без изменений, мы бы радовались положительным зимним температурам. Например, в Москве в день рождения Цельсия, 27 ноября 2018 года, по данным Гидрометцентра России, стоит настоящая «жара» — +103 °C.
Северное сияние, форма Земли и первый стоградусный термометр
Андерс Цельсий родился 27 ноября 1701 года в Уппсале, Швеция, в семье ученых: его отец и дед, Нильс и Магнус, были астрономами, а мать, Гунилла — дочерью астронома Андерса Споле. В то время в эту науку также входили геология и метеорология.
Талант Цельсия проявился в детстве — в 12 лет он решил все задачи в университетском учебнике по высшей математике. Церковный запрет на преподавание теории Коперника и отсутствие астрономических инструментов в Швеции вынудили Цельсия покинуть страну и завершить обучение за границей. Его первой остановкой была новая обсерватория в Берлине, где он помогал Крисфриду Кирчу в наблюдении за планетами Солнечной системы. Затем вместе с учеными из французской академии наук он отправился в экспедицию на север Швеции, целью которой стало определение природы северного сияния. Цельсий первым предположил, что причиной его возникновения является возмущение магнитного поля Земли — он заметил, что направление стрелки компаса искажается при этом явлении на несколько градусов.
Ученый путешествовал по Европе. Он посетил Венецию, Падую, Болонью, Рим, а затем и Париж. Его приезд совпал с пиком дебатов о форме Земли. Исаак Ньютон утверждал, что осевое вращение Земли придает планете выпуклую форму на экваторе и сплющенную на полюсах. В то же время теория вихря Рене Декарта предполагала, что Земля сплющена вокруг экватора и имеет выпуклую форму вдоль полярной оси. Большинство членов Парижской академии наук поддерживали теорию Декарта, но математик Пьер Луи де Мопертюи высказался в поддержку Ньютона.
Для окончательного решения вопроса Мопертюи организовал экспедицию в Лапландию для измерения кривизны Земли. Цельсий, знакомый с математиком, предложил отправиться в шведский Торнио — и получил приглашение принять участие в экспедиции. Ее результаты подтвердили теорию Ньютона, ставшую краеугольным камнем в физике на столетия вперед.
В 1737 году Цельсий получил кафедру в Упсальском университете и начал строительство первой обсерватории в Швеции — до этого для наблюдений за небесными телами астрономам приходилось выезжать в другие страны Европы. Проект был закончен в 1742 году — за два года до смерти ученого от туберкулеза.
Во время работы в Швеции Цельсий также попытался определить величину звезд в созвездии Овна фотометрическими средствами, провел реформу преподавания астрономии в университетах и убедил правительство страны перейти с юлианского на более точный григорианский календарь.
Еще во время обучения в университете Цельсий начал делать метеорологические измерения. Однако получать точные данные о погоде и температуре мешала распространенная на тот момент система измерения, которая содержала множество погрешностей. Ученый стремился создать более надежный инструмент, основанный на двух неизменных показателях — температуре замерзания и кипения воды. Он установил верхнюю точку на 0°, а нижнюю — на 100°, создав, таким образом, первый стоградусный термометр.
В работе «Наблюдения двух фиксированных положений на термометре» ученый рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура таяния льда (0 °C) не зависит от давления. При этом температура кипения воды под действием атмосферного давления варьируется, а откалибровать ее можно, зная, на каком уровне относительно моря находится термометр.
Новая шкала измерения температуры была представлена 25 декабря 1741 года и почти сразу принята научным сообществом. Правда, под названием «стоградус».
Спустя десять лет шкалу Цельсия перевернули: 0° стал точкой замерзания воды, а 100° — точкой кипения. Кто сделал это, неизвестно. Чаще всего эту заслугу приписывают коллеге Цельсия, создателю единой системы классификации животного и растительного мира Карлу Линнею.
Согласно другой версии, это сделал друг и ученого Мартин Стромэр. Есть и те, кто считает, что изобретение стоградусного термометра, начинающегося с 0°, принадлежит французу Жану Пьеру Кристиану. Сторонники этой теории полагают, что Цельсий был первым только в изобретении стоградусной шкалы, а Кристиан создал ее современный вариант.
Цельсий в системе СИ
«Стоградус» был общепринятой системой измерения температуры во всем мире, за исключением США, до 1948 года. От термина отказались из-за путаницы — в Испании и Франции «стоградус» использовался для измерения угла, равного 1/100 от прямого. Градусы Цельсия были определены общепринятым показателем температуры решением Генеральной конференции по методам и мерам, однако новый термин не использовался широко в течение следующих десяти лет. Например, в прогнозах погоды на телеканале Би-Би-Си до 1958 года дикторы говорили «градусы», а не «градусы Цельсия».
Сейчас градус Цельсия — производная величина в Международной системе единиц измерения (СИ), которая равна одному кельвину. Ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15 единиц: это значит, что абсолютный ноль по Кельвину равен –273,15 °C.
Температура по Кельвину («термодинамическая температура») отличается от температуры по Цельсию методом измерения. Поэтому основные международные и российские документы, содержащие описание единиц СИ и регламентирующие их использование, называют градус Цельсия не единицей температуры, а единицей температуры Цельсия.
Цельсий и Фаренгейт
Еще больше температура по Цельсию отличается от температуры по Фаренгейту — последнюю шкалу, помимо США, используют жители Багам, Каймановых островов и Либерии.
Габриэль Фаренгейт установил в качестве эталона температуру тела здорового человека, равную 96 °F. Точка плавления льда по шкале немецкого ученого находится на уровне 36 °F, а температура кипения воды составляет 212 °F.
Один градус равен разнице 1/180 разности между точкой кипения воды и точкой плавления льда, а диапазон от 0° до 100 °F по шкале Фаренгейта равен диапазону от минус 17,8° до 37,8 °C по шкале Цельсия. Шкалы пересекаются только в одной точке — при –40 °C системы измерения показывают одинаковую температуру.