Оригинал материала
Лед и пламень
Среди немногих старинных предметов, доставшихся в наследство от дореволюционного крестьянско-разночинного прошлого моей семьи, сохранилось диковинное настенное сооружение в виде бронзового замка с башенками, бойницами и флагами, вьющимися по ветру. В самом центре этой композиции находилось белое блестящее стекло, служившее фоном для спиртового термометра (не градусника! — как объясняли мне родители-физики). На этом стекле было нанесено множество рисок, образующих сложный ритмический узор промахов и совпадений, и три буквы F, C и R. Так с детства в мой мир вошли Фаренгейт, Цельсий и Реомюр.
Как и многих моих героев, я всю жизнь склеивал их из маленьких кусочков. То, запоем читая книжки про насекомых, я узнавал, что Рене Антуан Фершо де Реомюр написал целый трактат об этих маленьких животных. То в наборе текстов к семинарам летней школы по истории науки мелькала статья про попытки Андерса Цельсия объяснить северное сияние. Мозаичное панно Даниэля Габриэля Фаренгейта питала мрачная традиция мерять накал охоты на ведьм по шкале, тянущейся от 451 Рея Бредбери к 9/11 Майкла Мура. Пришла пора собрать все кусочки мозаики воедино.
Герой выходит на сцену
27 ноября по старому стилю (7 декабря по новому) 1701 г. в Упсале, в семье профессора астрономии Нильса Цельсиуса (1658—1724) и Гуниллы Споле (1672—1756), родился мальчик. Он получил имя деда по материнской линии, Андерса Споле (1630—1699), прежнего профессора астрономии, кафедру которого унаследовал его зять, Нильс Цельсиус.
Ни у кого не было сомнений относительно будущего Андерса-младшего. Профессура протестантских академий того времени (так лютеране и кальвинисты называли свои учебные заведения в пику католическим университетам) рассматривала кафедры как церковные приходы, и передача их по наследству в пределах семьи была обычным делом. В большинстве своем, профессора и происходили из семей пасторов. Само родовое имя Цельсиусов было ничем иным, как латинизированным названием прихода, в котором служили их предки (Högen по-шведски, и Celsius по латыни означает «высокий»). В Швеции тех времен фамилии вообще были редки и имелись, помимо дворян, только у выпускников университетов, поскольку студенты придумывали их, прямо когда вписывались в матрикулы. Всех прочих величали по имени-отчеству (например, Нильс Ингемарссон — Нильс, сын Ингемара).
Не только тесть Нильса был профессором астрономии. Его отец, Магнус Цельсиус (1621—1679) занимал ту же кафедру астрономии в Упсале до самой своей смерти. Его сыну, Андерсу-младшему просто на роду было написано стать представителем третьего поколения профессорской династии. Именно поэтому он был с молодости приставлен к астрономическим наблюдениям. В те годы это понятие было куда более широким, чем нынче. В задачи астронома-наблюдателя входило не только наблюдение за звездами и планетами, но и геодезическая съемка, и наблюдения за погодой. Этот широкий круг обязанностей и создал предпосылки для нескольких важных открытий, совершенных Андерсом, и одного маленького, но эпохального изобретения.
В 1730 г., закончив период обучения, Андерс получил место профессора астрономии в Упсальском университете. В 1732 г. он отправился в путешествие по континентальной Европе, где изучал устройство современных астрономических обсерваторий, закупал инструменты, встречался с коллегами-астрономами, разбросанными по университетским и придворным обсерваториям. Там, за границей, в Нюрнберге, в 1733 г. увидел свет его труд «Триста шестнадцать наблюдений за полярными сияниями, выполненных с 1716 по 1732 гг.» Эта работа принесла ему первый успех. Андерс Цельсий был одним из первых, кто отметил возмущение стрелки магнитного компаса в момент наблюдений, что указывало на связь между полярными сияниями и земным магнетизмом. Природа этой связи оставалась неясна вплоть до XX века, но сама связь была установлена.
В 1736 г. Андерс Цельсий принял участие в экспедиции в Лапландию, затеянной парижским академиком, математиком Пьером Луи Моро де Мопертюи (1698—1759) ради выяснения формы Земли. В те времена, разумеется, никто из астрономов уже не сомневался в том, что Земля, в целом, круглая. Предстояло, однако, выяснить важную деталь: согласно гипотезе Моро де Мопертюи, выстроенной на основе ньютоновской механики, Земля должна была быть немного сплюснута с полюсов. Согласно конкурирующей гипотезе картезианца Жака Кассини (1677—1756), Земля была слегка веретеновидной формы: вытянута к полюсам и сжата на экваторе. Для того чтобы сделать выбор между этими конкурирующими гипотезами, необходимо было измерить длину дуги одного градуса меридиана в приполярных областях и вблизи экватора (вторая экспедиция направилась в далекий Эквадор) и сопоставить результаты измерений с данными Кассини, которому удалось измерить дугу меридиана между Перпиньяном на юге Франции и Дюнкерком — на севере.
Лапландия, крайне северная провинция Швеции, к тому времени еще недавно колонизированная, воспринималась в Европе как загадочная и дикая северная страна с несметными, скрытыми от постороннего глаза богатствами, нечто вроде карманной европейской Сибири. Каждая экспедиция туда приобретала дополнительное символическое значение, и экспедиция Мопертюи и Цельсиуса 1736 г. наделала много шума. Измерения, проведенные в экспедициях в Лапландию и Эквадор, позволили решить вопрос в пользу Моро де Мопертюи. Кассини потерпел поражение. Внимание власть предержащих к этому знаменательному событию позволило Андерсу Цельсию добиться ассигнований на новую астрономическую обсерваторию в Упсале, строительство которой было завершено к 1741 г.
Наконец, Андерс Цельсий был одним из первых, кто обнаружил, что море постепенно отступает, обнажая скалистые берега Швеции. Это наблюдение положило начало целой эпохе спекуляций о причинах этого явления. Сам Цельсий считал, что морская вода потихоньку испаряется, все еще отступая после всемирного потопа. Объяснение, которым мы довольствуемся сейчас, оказалось много сложнее и появилось лишь с пришествием ледниковой теории.
Однако наша сегодняшняя история — не про природу полярных сияний, о которых большая часть читателей знает только понаслышке, не про форму Земли, до которой большинству также нет никакого дела, и не про скалы грозные, о которые дробятся с ревом волны. Она — про термометр, который висит почти в каждом доме.
В поисках меры неуловимых ощущений: Ньютон и Рёмер
Проблема инструментализации измерений давно беспокоила естествоиспытателей. Уже в древнейшие времена была осознана текучесть и переменчивость человеческих ощущений, и предприняты попытки решения этой проблемы: стандартные, не зависящие от конкретного наблюдателя эталоны и инструменты, обеспечивавшие сравнение. Человеческое тело со всеми его локтями, пальцами и ступнями, смена дня и ночи, движение звезд и времена года послужили первыми, пусть и не всегда надежными, точками отсчета. Самые примитивные проблемы удалось победить рычажными весами, линейкой, циркулем, песочными и водяными часами еще в глубокой древности. XVII век стал свидетелем нескольких инструментальных прорывов: часы с маятником открыли путь к точному изменению времени. Барометр открыл неведомый ранее мир атмосферного давления. Появились и первые приборы для измерения температуры — термометры, однако поначалу они были довольно громоздки, и точность их заставляла желать много лучшего. Например, известный своим опытом с Магдебургскими полушариями Отто фон Герике (1602—1686) изготовил довольно сложный воздушно-спиртовой термометр несколько метров высотой (1672), имевший шкалу с восемью значениями от «очень жарко» до «очень холодно».
В начале XVIII века ученые бросились на штурм температуры. Общий ход решения был примерно ясен: сначала надо было взять несколько объектов, температура которых могла бы быть принята за эталон для установления контрольных точек, с которыми можно было бы сравнить температуру изучаемого образца. Еще в конце XVII века разные авторы предлагали взять за основу самые разные контрольные точки, в том числе — кипения и замерзания воды, но до первого десятилетия XVIII попытки практической реализации проекта были единичны, а о точной градуировке термометров не было и речи.
История полна дивных совпадений. В том самом 1701 году, когда в Упсале родился Андерс Цельсиус, появилось сразу два практичных термометра и две количественных температурных шкалы. Идея буквально носилась в морозном воздухе Северной Европы.
Исаак Ньютон (1643—1727) начал с того, что установил порядка двух десятков контрольных точек, довольно, впрочем, смутных: от холодного зимнего воздуха до тлеющих углей. Этот способ вскоре был им отброшен как трудный в реализации и крайне приблизительный. Следующая попытка великого мастера была более удачной. К этому времени было уже хорошо известно, что большинство тел заметно расширяется при нагревании. Ньютон измерил температурное расширение льняного масла между двумя из выбранных им контрольных точек — тающим снегом и температурой человеческого тела, после чего разделил отрезок, на который сместился уровень льняного масла в тонкой трубке, на двенадцать равных частей. Это деление было столь же естественным для англичанина того времени, как для нас — деление на десять. Год подразделялся на двенадцать месяцев, сутки — на двенадцать часов до и после полудня, фут — на двенадцать дюймов.
Одновременно с Ньютоном один из первых действующих термометров создал датский астроном Оле Рёмер (1644—1710), знаменитый своим измерением скорости света (1676). В качестве расширяющегося вещества он использовал крепкое красное вино. Контрольными точками ему служили самая холодная субстанция, которую могли получить в лабораториях того времени (смесь льда и соли в равных пропорциях) и кипящая вода. Шкала была разделена на 60 равных ступеней, с нулем на температуре льда с солью. Точка замерзания воды довольно удобно расположилась на 7,5 градусах.
Время продолжателей: от Фаренгейта до Делиля
Начинание Рёмера подхватил Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686—1736), физик, стеклодув и механик родом из Ростока, большую часть жизни проживший в Нидерландах. Незадолго до смерти Рёмера, в 1708 г., Фаренгейт посетил датского астронома и познакомился с его методикой измерения температуры. Он посвятил много времени изготовлению точных метеорологических инструментов, среди которых одним из главных стал ртутный термометр, созданный им в 1714 г., на замену спиртовому, который он использовал до этого. После ряда экспериментов Фаренгейт значительно увеличил дробность шкалы Рёмера. Контрольными точками были все тот же лед с солью (приблизительно -17,8 градусов Цельсия) и... температура здоровой лошади (около 37,8 градусов Цельсия, впрочем, некоторые полагают, что Фаренгейт использовал температуру своего тела, но был болен в момент градуировки термометра). Этот промежуток Фаренгейт разделил на 100 ступеней. Другим удобным свойством шкалы Фаренгейта было то, что после некоторой калибровки температура замерзания воды пришлась на целое значение в 32, а закипания — в 212 градусов (в результате чего образовалась круглая разность в 180 градусов). Однако возможно самым замечательным достижением было то, что Фаренгейту удалось наладить производство серии термометров, показания которых сходились между собой. В годы, когда технология производства этих хрупких и точных приборов только налаживалась, современники писали о сходстве показаний термометров, скорее, как об удивительной удаче. Опытный стеклодув и механик, Фаренгейт смог стандартизовать приемы изготовления термометров, и превратить занимательную игрушку в лабораторный инструмент, способный поставлять воспроизводимые данные.
Термометр Фаренгейта получил законченную форму к 1724 г. и с тех пор исправно служит человечеству. Жители США и Ямайки и по сей день находят шкалу Фаренгейта наиболее удобной, поскольку она довольно дробная (забегая вперед скажу, что 1 градус Цельсия = 1,8 градуса Френгейта) и покрывает большинство температур, с которыми сталкиваются жители стран с умеренным климатом, без необходимости прибегать к отрицательным значениям. Кроме изобретения ртутного термометра Фаренгейт сделал еще одно важное термометрическое наблюдение: он обнаружил зависимость между температурами кипения и замерзания жидкостей и атмосферным давлением. Это не только открыло путь к приблизительному определению высоты местности над уровнем моря по температуре кипящей воды, но и сослужило позже свою службу Андерсу Цельсию при разработке его температурной шкалы.
Если Фаренгейт отталкивался от шкалы Рёмера, то линию Ньютона почти одновременно продолжили академик парижской Академии наук Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683—1757) и профессор Академии наук и художеств в Санкт-Петербурге, также выходец из Франции, Николя Делиль (1688—1768).
В 1731 г. Фершо де Реомюр заинтересовался проблемами метеорологии и на основе тех же контрольных точек (замерзания и кипения воды) построил восьмидесятиградусную шкалу. Причины, по которым он выбрал именно восемьдесят ступеней, темны. Одно из предположений связано с алгоритмом градуировки и коэффициентом температурного расширения 80% водного раствора спирта (1 градус Реомюра соответствовал увеличению объема на одну тысячную, по сравнению с изначальным объемом спирта при температуре замерзания воды).
Годом позже Николя Делиль предложил свою версию термометра. Как и у Фаренгейта, в термометре Делиля использовалась ртуть. Однако, наперекор складывавшейся традиции, Делиль развернул направление шкалы. За ноль он принял температуру кипения воды на уровне моря, а температуре замерзания присвоил первоначально значение в 2400 градусов. Столь дробная шкала показалась коллегам избыточной, и уже зимой 1738 г. его собрат по петербургской академии, медик Йозиас Вайтбрехт (1702–1747), радикально «укрупнил» градусы, уменьшив число ступеней от кипения до замерзания до 150. Позже шкалой Делиля — Вайтбрехта пользовались многие российские академики, в том числе Михайло Ломоносов, который, однако «перевернул» ее с ног на голову, расположив ноль на точке замерзания, а 150 градусов — на точке кипения воды.
Снова Цельсиус
Инструментализация измерений была коньком Цельсиуса. Например, для определения звездных величин, он использовал набор стандартных затемненных стекол, которые складывал в стопку. Самая яркая звезда — Сириус — исчезала из виду, когда толщина стопки достигала двадцати пяти стекол, менее яркие — на более ранних этапах. Разумеется, это не решало полностью проблемы объективации наблюдений, поскольку все еще зависело от чувствительности глаз наблюдателя. Однако такой метод был большим шагом вперед по сравнению с грубой глазомерной оценкой. Среди прочих с трудом объективируемых величин к началу 1740-х гг. дошла очередь и до температуры.
В своем термометре Цельсиус скомбинировал два удачных изобретения своих предшественников — стабильные контрольные точки и стоградусную шкалу — с одним неудачным: инвертированной шкалой Делиля, в связи с чем его термометр был не совсем похож на тот, который висит у нас за окном.
Работы Фаренгейта показывали, что температура таяния льда довольно стабильна в широком диапазоне давлений. Цельсиус, после кропотливой экспериментальной проверки ее постоянства, приравнял ее к 100 градусам. Температура кипения, обнаруживавшая сильную зависимость от давления, была менее надежна. Цельсиус, вслед за Делилем, решил эту проблему, избрав в качестве второй контрольной точки температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении на уровне моря, которую и приравнял к нулю. В 1742 г. он опубликовал описание своего термометра в трудах новорожденной Королевской академии наук в Стокгольме (создана в 1739 г.) Увы, ему не суждено было долго использовать свое изобретение. Андерс Цельсиус умер от чахотки 25 апреля (5 мая) 1744 г. еще совсем молодым человеком, в неполные 43 года.
С ног на голову
Будущее его термометра определило одно занятное обстоятельство. Его коллегой по академии был профессор Упсальского университета шведский натуралист Карл Линней. Линней, сам питомец Упсальской протестантской академии, был давно знаком с кланом Цельсиусов. Тогда, как и многие годы спустя, жизнь бедного студента в университетском городе зависела от состоятельных покровителей. Когда Карл Линней шел учиться из своего первого университета в Лунде в Упсалу, он рассчитывал на помощь своего дальнего родственника, пастора Гумеруса. Входя в город, Линней услышал звон колоколов, возвещавших о похоронах своего предполагаемого патрона. Отчаявшегося обнищавшего студента, готового покинуть Упсалу и вновь искать прибежища в Лунде, весной 1729 г. встретил в ботаническом саду Олоф Цельсиус, дядя Андерса. В Упсале он занимал кафедру богословия, и весной 1729 г. был озабочен сбором материалов для словаря названий растений, упоминавшихся в Библии. Он предоставил Линнею кров и пропитание, а позже, уезжая из Упсалы с новым назначением в Стокгольм, рекомендовал его другим профессорам.
К 1744 Линней, с 1741 г. сам уже профессор естественной истории в Упсале, занимался восстановлением ботанического сада и оранжерей. В оранжереях он использовал термометры системы своего коллеги и друга Андерса Цельсиуса. Это было патриотично и удобно. Такие термометры изготавливал шведский инструментальный мастер Даниэль Экстрём. Карл Линней ввел только одно маленькое, но существенное изменение. Он сделал то же, что и Ломоносов со шкалой Делиля — попросил расположить ноль на точке замерзания воды, а 100 градусов — на точке кипения. Первое упоминание о такой привычной нам шкале встречается в сочиненной Линнеем диссертации Hortus Upsaliensis (Упсальский сад), датированной 16 декабря 1745 г. В этом «перевернутом» виде термометр Цельсиуса и дошел до наших дней.
Путь в бессмертие
Потребовалось более ста лет, чтобы из хаоса шкал для измерения температуры вырвались вперед три лидера: Фаренгейт, Реомюр и Цельсий и еще сто — для того, чтобы градусы Цельсия стали международным стандартом в научных кругах.
В середине XIX века стоградусная шкала Цельсиуса получила неожиданную мощную поддержку. В 1848 г. его градусы были положены в основу термодинамической температурной шкалы, предложенной Уильямом Томсоном, лордом Кельвином (1824-1907). В основе шкалы Томсона лежал абсолютный термодинамический ноль — состояние покоя молекул вещества. Точка замерзания воды оказалась в 273,15 градусах от абсолютного нуля. Аналогичная абсолютная термодинамическая шкала была разработана в 1859 г. Уильямом Джоном Маккворном Ранкиным (1820-1872) на основе стоградусной шкалы Фаренгейта. Она использовалась в течение какого-то времени для технических расчетов в США, пока ее окончательно не вытеснила международно-признанная шкала лорда Кельвина. Возможно, свою роль в этом сыграли диковинные контрольные точки. Трудно было представить себе физика XIX века, пытающегося градуировать термометр при помощи лошадей.
В 1948 г. девятая всемирная конференция по проблемам мер и весов постановила увековечить память Андерса Цельсия, присвоив его имя градусу изобретенной им стоградусной шкалы.
Следующая, десятая, конференция (1954) — ввела в употребление градус Кельвина, названный в честь Уильяма Томсона. Роль второй контрольной точки перешла от точки замерзания к так называемой тройной точке воды на 273,16 градусах К. Так называемая тройная точка на фазовой диаграмме любого вещества — это уникальная комбинация давления и температуры, при которых твердое, жидкое и газообразное состояние данного вещества находятся в состоянии динамического равновесия. Считается, что тройная точка — более надежный эталон, чем температура плавления льда, которая, хоть и незначительно, но зависит от давления.
В 1967 г. на тринадцатой конференции градусы Кельвина превратились, по аналогии с остальными физическими величинами, в просто Кельвины, а температура по Цельсию приравнена к температуре в Кельвинах за вычетом 273,15. В бытовых целях мы, впрочем, по-прежнему используем градусы Цельсия, не задумываясь обо всех этих сложностях.