Кейсы

Астроном, сумасброд, путешественник: как на самом деле хотел измерять температуру астроном Андерс Цельсий

Далее

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.

Андерс Цельсий.

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.

Карл Линней.

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.

Изображение: NIST

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.

Загрузка...