1.3. Измерение

Большинство научных экспериментов и наблюдений включает в себя проведение разнообразных измерений. Измерение — это процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных тех­нических устройств.

Огромное значение измерений для науки отмечали мно­гие видные ученые. Например, Д.И. Менделеев подчерки­вал, что «наука начинается с тех пор, как начинают изме­рять». А известный английский физик В. Томсон (Кель­вин) указывал на то, что «каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить»³.

Важной стороной процесса измерения является методи­ка его проведения. Она представляет собой совокупность приемов, использующих определенные принципы и средства измерений. Под принципами измерений в данном случае имеются в виду какие-то явления, которые положены в основу измерений (например, измерение температуры с ис­пользованием термоэлектрического эффекта).

Результат измерения получается в виде некоторого чис­ла единиц измерения. Единица измерения — это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение «I»), Существует множество единиц измерения, соответствующее множеству объектов, явлений, их свойств, сторон, связей, которые приходится измерять в процессе научного позна­ния. При этом единицы измерения подразделяются на ос-

18

новные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других еди­ниц с помощью каких-то математических соотношений.

Методика построения системы единиц как совокупнос­ти основных и производных была впервые предложена в 1832 году К. Гауссом. Он построил систему единиц, в ко­торой за основу были приняты три произвольные, незави­симые друг от друга основные единицы — длины (милли­метр), массы (миллиграмм) и времени (секунда). Все осталь­ные (производные) единицы можно было определить с помощью этих трех. В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гаус­сом. Они базировались на метрической системе мер, но от­личались друг от друга основными единицами.

Кроме того, в физике появились так называемые есте­ственные системы единиц. Их основные единицы опреде­лялись из законов природы (это исключало произвол че­ловека при построении указанных систем). Примером мо­жет служить «естественная» система физических единиц, предложенная в свое время Максом Планком. В ее осно­ву были положены «мировые постоянные»: скорость све­та в пустоте, постоянная тяготения, постоянная Больцма-на и постоянная Планка. Исходя из них и приравняв их к «I», Планк получил ряд производных единиц (длины, массы, времени и температуры).

Основное значение подобных «естественных» систем единиц (к ним относятся также система атомных единиц Хартри и некоторые другие) состоит в существенном уп­рощении вида отдельных уравнений физики. Однако раз­меры единиц таких систем делают их малоудобными для практики. Кроме того, точность измерения основных еди­ниц подобных систем, необходимая для установления всех производных единиц, еще далеко не достаточна. В силу указанных причин предложенные до сих пор «естествен­ные» системы единиц не могут в настоящее время найти применения при решении вопроса об унификации единиц измерения.

Вопрос об обеспечении единообразия в измерении вели­чин, отражающих те или иные явления материального мира, всегда был очень важным. Отсутствие такого едино­образия порождало существенные трудности для научного

19

познания. Например, до 1880 года включительно не суще­ствовало единства в измерении электрических величин: использовалось 15 различных единиц электрического со­противления, 8 единиц электродвижущей силы, 5 единиц электрического тока и т. д. Сложившееся положение силь­но затрудняло сопоставление результатов измерений и рас­четов, выполненных различными исследователями. Остро ощущалась необходимость введения единой системы элект­рических единиц. Такая система была принята первым международным конгрессом по электричеству, состоявшим­ся в 1881 году.

В настоящее время в естествознании действует преиму­щественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и ве­сам. Международная система единиц построена на базе семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан) единиц. С помощью специальной таблицы множителей и приставок можно образовывать кратные и дольные едини­цы (например, с помощью множителя 10^-3 и приставки «милли» к наименованию любой из названных выше еди­ниц измерения можно образовывать дольную единицу раз­мером в одну тысячную от исходной).

Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватывает физические величины механики, термодинамики, электро­динамики и оптики, которые связаны между собой физи­ческими законами.

Потребность в единой международной системе единиц измерения в условиях современной научно-технической революции очень велика. Поэтому такие международные организации, как ЮНЕСКО и Международная организация законодательной метрологии, призвали государства, явля­ющиеся членами этих организаций, принять вышеупомя­нутую Международную систему единиц и градуировать в этих единицах все измерительные приборы.

Существует несколько видов измерений. Исходя из ха­рактера зависимости измеряемой величины от времени, из­мерения разделяют на статические и динамические. При статических измерениях величина, которую мы измеряем, остается постоянной во времени (измерение размеров тел,

20

постоянного давления и т. п.). К динамическим относят­ся такие измерения, в процессе которых измеряемая вели­чина меняется во времени (измерение вибраций, пульсирую­щих давлений и т. п.).

По способу получения результатов различают измере­ния прямые и косвенные. В прямых измерениях искомое значение измеряемой величины получается путем непос­редственного сравнения ее с эталоном или выдается изме­рительным прибором. При косвенном измерении искомую величину определяют на основании известной математиче­ской зависимости между этой величиной и другими вели­чинами, получаемыми путем прямых измерений (например, нахождение удельного электрического сопротивления про­водника по его сопротивлению, длине и площади попереч­ного сечения). Косвенные измерения широко используют­ся в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда пря­мое измерение дает менее точный результат.

Технические возможности измерительных приборов в значительной мере отражают уровень развития науки. С современной точки зрения, приборы, использовавшиеся учеными-естествоиспытателями в XIX веке и в начале XX столетия, были весьма несовершенны. Тем не менее, с помощью этих приборов ставились иногда блестящие экс­перименты, оставившие заметный след в истории науки, от­крывались и изучались важные закономерности природы.

С прогрессом науки продвигается вперед и измеритель­ная техника. Наряду с совершенствованием существую­щих измерительных приборов, работающих на основе тра­диционных, утвердившихся принципов (замена материалов, из которых сделаны детали прибора, внесение в его конст­рукцию отдельных изменений и т. д.), происходит переход на принципиально новые конструкции измерительных уст­ройств, обусловленные новыми теоретическими предпосыл­ками. В последнем случае создаются приборы, в которых находят реализацию новые научные достижения. Так, на­пример, развитие квантовой физики существенно повыси­ло возможности измерений с высокой степенью точности. Использование эффекта Мессбауэра позволяет создать при­бор с разрешающей способностью порядка 10^-13 % измеряе­мой величины.

21

Хорошо развитое измерительное приборостроение, раз­нообразие методов и высокие характеристики средств из­мерения способствуют прогрессу в научных исследованиях. В свою очередь, решение научных проблем, как уже отме­чалось выше, часто открывает новые пути совершенствова­ния самих измерений.