Đơn vị: từ hệ thống này sang hệ thống khác

20

ĐƠN VỊ:
TỪ HỆ THỐNG ĐẾN HỆ THỐNG

S. I. VALYANSKY

Vào ngày 15 tháng 12 năm 1832, công trình của nhà toán học nổi tiếng thế giới Carl Friedrich Gauss đã được trình bày cho Hiệp hội khoa học Göttingen để thảo luận. Nó có tên là “Sự tăng cường lực từ của Trái đất được giảm đến mức tuyệt đối” và ngắn, chỉ có 37 trang. Tuy nhiên, công trình khiêm tốn này lại đóng một vai trò to lớn trong sự phát triển của khoa học tự nhiên. Để cảm nhận được vai trò này, chúng ta sẽ phải lật lại lịch sử, nhớ lại một số khoảnh khắc trong “tiểu sử” của nam châm.

Người xưa đã biết đến sự tồn tại của một loại “hòn đá” chấp nhận sắt và những nỗ lực giải thích khả năng chấp nhận của loại đá này đã được thực hiện từ hơn 2000 năm trước. Ứng dụng thực tế đầu tiên của nam châm là la bàn. Không có quan điểm rõ ràng về địa điểm và thời gian phát minh ra la bàn. Nhưng ít nhất là từ thế kỷ 13, la bàn đã được biết đến ở châu Âu. Với sự xuất hiện của nó, những khám phá bắt đầu liên quan đến bản chất của từ tính trên mặt đất. Người ta ngay lập tức phát hiện ra rằng kim nam châm không chỉ hướng chính xác về phía ánh sáng; rằng độ lệch của mũi tên so với hướng này (độ lệch từ) thay đổi tùy thuộc vào vị trí quan sát; rằng mũi tên không được lắp đặt theo chiều ngang và góc tạo với phương thẳng đứng cũng phụ thuộc vào vị trí quan sát.

Điều gì giải thích sự định hướng của kim nam châm? Lực từ là gì? Người đầu tiên cố gắng trả lời những câu hỏi này là nhà vật lý người Anh William Gilbert (1544-1603). Là một nhà thí nghiệm nhạy bén, Hilbert đã đặt nền móng cho từ tính và đặc biệt là từ tính trên trái đất. Ông cho rằng Trái đất là một nam châm lớn, và theo nghĩa này, nó giống như một quả cầu vật liệu từ tính. Để xác nhận giả thuyết này, nhà khoa học đã chế tạo một mô hình nhỏ của Trái đất - một quả cầu sắt - và cho thấy khi di chuyển dọc theo bề mặt của một quả cầu như vậy, kim từ được định hướng chính xác như thực tế.

Vấn đề định hướng đã khiến các nhà khoa học tự nhiên phải đối mặt với một vấn đề mới bài toán: Rõ ràng là để sử dụng thành công la bàn (la bàn là một trong những công cụ điều hướng chính) cần phải có bản đồ độ vĩ từ. Để biên soạn một bản đồ như vậy, Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn (Viện Hàn lâm Khoa học Anh) năm 1698 đã trang bị

21

một cuộc thám hiểm hải quân đặc biệt do nhà thiên văn học và nhà địa vật lý Edmund Halley dẫn đầu (cũng chính là Halley (1656-1742), người đã đặt tên cho sao chổi nổi tiếng). Sau nhiều năm làm việc chăm chỉ, đây là kết quả: Halley đã xuất bản một bản đồ “từ tính” về Đại Tây Dương và Thái Bình Dương. (Trên đó, nhà nghiên cứu lần đầu tiên kết nối các điểm có cùng giá trị xích vĩ của một đường. Terer là một cách thể hiện rộng rãi các đặc điểm khác nhau của bề mặt trái đất, đặc biệt là về mặt khí tượng.)
Các sự kiện đã phát triển hơn nữa như thế nào? Hiểu được tầm quan trọng của các phép đo từ tính đối với sự phát triển của khoa học, du lịch và quân sự, ba Viện Hàn lâm Khoa học - St. Petersburg, Paris và Berlin - đang công bố một cuộc thi dành cho công trình hay nhất giải thích hiện tượng từ trường trên mặt đất.
Với việc phát hiện ra định luật Coulomb, một giai đoạn mới trong nghiên cứu từ trường Trái đất đã bắt đầu. Theo sau nhà khoa học - nhà địa chất, nhà địa lý, nhà du hành nổi tiếng người Đức - Alexander Humboldt, kể từ năm 1800, hầu hết tất cả các chuyến thám hiểm đều đưa việc đo từ trường tại các điểm khác nhau trên Trái đất vào một trong các hạng mục của chương trình. Nhân tiện, các thủy thủ nổi tiếng của Nga cũng đã thực hiện các phép đo như vậy. Đó là vào giữa thế kỷ 18. Nhiều loại bưu thiếp giáo dục được Học viện gọi tên. Một số công trình cơ bản về nghiên cứu từ trường mặt đất đã được thực hiện vào thời điểm này. Và trong số đó có công trình của nhà vật lý và kỹ sư người Pháp Charles Auguste Coulomb về phép đo chính xác lực điện và lực từ.
Sau khi tiến hành một loạt thí nghiệm có độ chính xác đáng kinh ngạc vào thời điểm đó, Coulomb đã chứng minh rằng lực tương tác giữa các vật tích điện tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng và tỉ lệ thuận với điện tích của chúng. Bằng cách tương tự với điện tích, để mô tả đặc tính từ của vật chất, Coulomb đã sử dụng khái niệm điện tích từ và chỉ ra rằng lực tương tác giữa các vật thể bị từ hóa phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng và độ lớn của điện tích từ giống như lực tương tác điện trong trường hợp vật thể tích điện.) Do đó, nhờ các thí nghiệm của Coulomb, người ta có thể đo được giá trị tuyệt đối của lực từ.
Với việc phát hiện ra định luật Coulomb, một giai đoạn mới trong nghiên cứu từ trường Trái Đất đã bắt đầu. Theo sau nhà khoa học - nhà địa chất, nhà địa lý, nhà du hành nổi tiếng người Đức - Alexander Humboldt, kể từ năm 1800, hầu hết tất cả các chuyến thám hiểm đều đưa việc đo từ trường tại các điểm khác nhau trên Trái đất vào một trong các hạng mục của chương trình. Nhân tiện, các thủy thủ nổi tiếng của Nga cũng đã thực hiện các phép đo như vậy. Đó là vào giữa thế kỷ 18. Nhiều loại bưu thiếp giáo dục được Học viện gọi tên. Một số công trình cơ bản về nghiên cứu từ trường mặt đất đã được thực hiện vào thời điểm này. Và trong số đó có công trình của nhà vật lý và kỹ sư người Pháp Charles Auguste Coulomb về phép đo chính xác lực điện và lực từ.
Sau khi tiến hành một loạt thí nghiệm có độ chính xác đáng kinh ngạc vào thời điểm đó, Coulomb đã chứng minh rằng lực tương tác giữa các vật tích điện tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng và tỷ lệ thuận với điện tích của chúng. Bằng cách tương tự với điện tích, để mô tả đặc tính từ của vật chất, Coulomb đã sử dụng khái niệm điện tích từ và chỉ ra rằng lực tương tác giữa các vật thể bị từ hóa phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng và độ lớn của điện tích từ giống như lực tương tác điện trong trường hợp vật thể tích điện.) Do đó, nhờ các thí nghiệm của Coulomb, người ta có thể đo được giá trị tuyệt đối của lực từ.
Với việc phát hiện ra định luật Coulomb, một giai đoạn mới trong nghiên cứu từ trường Trái Đất đã bắt đầu. Theo sau nhà khoa học - nhà địa chất, nhà địa lý, nhà du hành nổi tiếng người Đức - Alexander Humboldt, kể từ năm 1800, hầu hết tất cả các chuyến thám hiểm đều đưa việc đo từ trường tại các điểm khác nhau trên Trái đất vào một trong các hạng mục của chương trình. Nhân tiện, các thủy thủ nổi tiếng của Nga cũng đã thực hiện các phép đo như vậy. Đó là vào giữa thế kỷ 18. Nhiều loại bưu thiếp giáo dục được Học viện gọi tên. Một số công trình cơ bản về nghiên cứu từ trường mặt đất đã được thực hiện vào thời điểm này. Và trong số đó có công trình của nhà vật lý và kỹ sư người Pháp Charles Auguste Coulomb về phép đo chính xác lực điện và lực từ.
Sau khi tiến hành một loạt thí nghiệm có độ chính xác đáng kinh ngạc vào thời điểm đó, Coulomb đã chứng minh rằng lực tương tác giữa các vật tích điện tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng và tỷ lệ thuận với điện tích của chúng. Bằng cách tương tự với điện tích, để mô tả đặc tính từ của vật chất, Coulomb đã sử dụng khái niệm điện tích từ và chỉ ra rằng lực tương tác giữa các vật thể bị từ hóa phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng và độ lớn của điện tích từ giống như lực tương tác điện trong trường hợp vật thể tích điện.) Do đó, nhờ các thí nghiệm của Coulomb, người ta có thể đo được giá trị tuyệt đối của lực từ.
() Nghiêm túc mà nói, chúng ta biết rằng điện tích không tồn tại trong tự nhiên. Nhưng đã có lúc, việc đưa ra khái niệm này hóa ra lại rất hữu ích cho việc phát triển ý tưởng về từ tính.

22

quan sát sau nhiều thế kỷ, người ta có thể tìm ra liệu lực từ có thay đổi độ lớn hay không, giống như người ta đã chứng minh rằng hướng của chúng thay đổi. Để tăng độ tin cậy của các thay đổi, Biyu đề xuất có một số mũi tên và thực hiện các thay đổi độc lập, mỗi lần từ hóa các mũi tên một lần nữa cho đến khi bão hòa. Nhưng ngay cả ở thời của ông, họ cũng hiểu rằng đây không phải là cách thoát khỏi tình huống này. Câu hỏi về độ tin cậy của kết quả của những thay đổi vẫn còn bỏ ngỏ. Tôi muốn tìm ra một cách không phụ thuộc vào “ý thích bất chợt” của bàn tay, vào khả năng từ hóa của chúng.

Năm 1828, Gauss gặp A. Humboldt. Một cuộc trò chuyện dài giữa hai nhà khoa học vĩ đại nhất trong thời đại của họ đã kết thúc với việc Gauss trở nên quan tâm đến các hiện tượng từ trường trên mặt đất và quyết định cố gắng tạo ra một lý thuyết về hiện tượng này. Nhưng trước khi tiếp tục với lời giải bài toán, cần phải phát triển các định nghĩa khoa học chính xác về các đặc điểm của từ trường Trái đất - độ lệch, độ nghiêng và tính định hướng. Và để làm được điều này cần phải phát triển cơ sở của những thay đổi từ tính. Gauss chỉ có thể bắt đầu công việc dự định của mình vào mùa thu năm 1831, khi nhà vật lý 27 tuổi đến từ Halle Wilhelm Weber được mời đến Đại học Göttingen. Gauss gặp ông tại nhà Humboldt vào năm 1828, và với sự xuất hiện của nhà khoa học trẻ tại trường đại học, ông đã có được một trợ lý tài năng và có cùng chí hướng.

Đây là những sự kiện đã xảy ra trước đó với một ner ethane, đây gọi là sự thay đổi trực tiếp, nếu không thì sự thay đổi là gián tiếp. Sử dụng sự phụ thuộc giữa các đại lượng vật lý, chúng ta có thể lấy một số đại lượng làm đại lượng cơ bản và phần còn lại - những đại lượng tùy ý - có thể thu được bằng cách kết hợp các đại lượng cơ bản đã chọn. Do đó, trước khi bắt tay vào sự thay đổi gián tiếp của đại lượng từ thông qua sự thay đổi lực và chuyển động của các vật từ hóa tương tác, Gauss phải tìm ra đại lượng nào trong cơ học có thể được chọn là cơ bản và đại lượng nào là tùy ý.

Dựa trên các định luật và định nghĩa của cơ học, Gauss đã chỉ ra rằng trong

23

Trong phần vật lý, chỉ cần giới thiệu ba đại lượng cơ bản là đủ và tất cả các đại lượng cơ học khác có thể được thay đổi với sự trợ giúp của chúng (tức là được biểu thị thông qua điểm cơ bản). Đi qua các bộ ba đại lượng khác nhau có thể coi là cơ bản, ông đã chứng minh được rằng trong cơ học, thuận tiện nhất là sử dụng chiều dài, khối lượng và thời gian làm các đại lượng chính. Ngoài ra, còn có các giai đoạn và phương pháp đo đơn giản cho những đại lượng này.

Tiếp theo, cần phải chế tạo một thiết bị bằng cách đo các thông số cơ học để có thể xác định đặc tính từ tính của các vật thể bị từ hóa. Để làm điều này, Gauss đã lợi dụng hoàn cảnh sau đây. Chu kỳ dao động của kim từ hóa trong từ trường Trái đất phụ thuộc vào cường độ từ tính của trái đất, cũng như các tính chất từ ​​và cơ học của kim. Do đó, bằng cách đo và so sánh chu kỳ dao động của các kim khác nhau với các tính chất cơ học đã biết, người ta có thể biết được định luật tương tác của các điện tích từ để xác định cường độ từ trường của trái đất. Vì vậy, quá trình đo đại lượng từ dẫn đến việc đo các đại lượng cơ học, do đó, có thể biểu thị thông qua các đại lượng cơ bản - chiều dài, khối lượng và thời gian.

Gauss đề xuất sử dụng miligam, milimet và giây của ngày mặt trời trung bình làm đơn vị đo chính. Ông chọn những đơn vị này không phải ngẫu nhiên. Trong cuộc Cách mạng vĩ đại của Pháp, một ủy ban đặc biệt được thành lập

hệ thống ric. Tuy nhiên, khi thực hiện các phép đo từ tính, ông sử dụng miligam và milimet rất thuận tiện - đơn vị đo phải là miligam, milimet và giây. Hệ thống do Gauss đề xuất bắt đầu được gọi là “tuyệt đối” *).

*) Có sự hiểu lầm với tên này. Tiêu đề tác phẩm của Gaus là “Sức căng của lực từ trái đất, giảm đến mức tuyệt đối”.
Nhưng “tuyệt đối” không đề cập đến chủ đề về các đơn vị đo cơ bản mà Gauss biểu thị các đại lượng từ, mà chỉ có nghĩa là một đại lượng từ được đo một cách tuyệt đối, chỉ sử dụng ba giai đoạn cơ bản của đại lượng cơ học, và không liên quan đến một lực từ nào đó, được thực hiện theo từng giai đoạn. Lưu ý rằng trong tác phẩm này Gaus đã đề xuất các đặc tính và đơn vị điện cho các đặc tính cơ học. Những bài toán thực tế này được thực hiện bởi V. Weber.

24

Năm 1862, Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Anh, với các thành viên bao gồm các nhà khoa học như Lord Kelvin và J. Clair Maxwell, đã đặt ra bài toán: để phát triển các đơn vị đo lường cơ bản và đạo hàm cho các lĩnh vực vật lý khác nhau. Nhưng… cô không tìm thấy điều gì tốt hơn ý tưởng của Gauss về việc chọn độ dài, khối lượng và thời gian làm đại lượng chính. Nhưng người ta đã đề xuất thay đổi phần nào đơn vị đo của chúng, “gán” centimet, gam và giây làm đơn vị chính. Và một điều nữa: chính Ủy ban có thẩm quyền này đã đề xuất đơn vị lực - dyne và đơn vị năng lượng - erg. Trên thực tế, hệ thống đơn vị GHS nổi tiếng đã được phát triển. Đối với các đơn vị điện và từ, ý tưởng kết nối các đơn vị cơ và điện từ của Gauss thông qua các quy trình đo lường (hệ thống SGSE và SGSM) đã được sử dụng.

Lần đầu tiên, Ủy ban đã mang lại một số sự rõ ràng cho hệ thống các đơn vị điện và từ, nhưng thật không may, trên thực tế, việc sử dụng hệ thống như vậy rất bất tiện vì một số giá trị hóa ra quá lớn và một số giá trị khác lại quá nhỏ. Vì vậy, tôi sẽ vi phạm hệ thống tuyệt đối của lời giải cái gọi là hệ thống đơn vị thực tế. Ở đây, người ta đã có thể sử dụng làm đơn vị cơ bản là bội số của 10” đơn vị cơ bản của hệ tuyệt đối, trong đó n có thể là số nguyên dương hoặc số nguyên âm. Đây là một bước tiến lớn.

Xét cho cùng, các hiện tượng điện và từ bắt đầu được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghệ và trong cuộc sống hàng ngày, điều đó có nghĩa là cần phải có những cách thuận tiện để so sánh các kết quả khác nhau mà các nhà nghiên cứu khác nhau thu được để sau đó tái tạo chúng một cách chính xác. Đây là lý do tại sao lời giải Ủy ban Anh là trung tâm phục vụ của Đại hội Điện đầu tiên ở Paris vào năm 1881. Vì Đại hội có tính chất quốc tế nên lời giải được nó thông qua có ý nghĩa quốc tế. Và những lời giải này dựa trên đề xuất của Hiệp hội vì sự tiến bộ khoa học Anh, tức là ý tưởng của Gauss.

Bây giờ chúng tôi sử dụng cái gọi là hệ thống SI. Không giống như các hệ thống hiện có trước đây, số lượng đơn vị giữa hai hệ thống, số lượng đại lượng cơ bản trong đó, đã được tăng lên. Thực tế là các hệ thống nhất định

tìm kiếm thông qua các thủ tục đo lường (hệ thống SGSE và SGSM).

Lần đầu tiên, Ủy ban đã mang lại một số sự rõ ràng cho hệ thống các đơn vị điện và từ, nhưng thật không may, trên thực tế, việc sử dụng hệ thống như vậy rất bất tiện vì một số giá trị hóa ra quá lớn và một số giá trị khác lại quá nhỏ. Do đó, vi phạm các hệ thống tuyệt đối, chúng thuận tiện cho việc đo lường trong các lĩnh vực vật lý cụ thể mà trên thực tế, chúng được tạo ra. Và hệ SI được công nhận là phổ quát, thống nhất cho mọi ngành vật lý. Vì vậy, để tránh sự trùng lặp về kích thước của các đại lượng vật lý khác nhau, cần phải tăng số lượng các đại lượng cơ bản. Do đó, 6 đơn vị cơ bản đã xuất hiện trong hệ SI - ba đơn vị cơ, một điện từ, một nhiệt động và một quang. Vào tháng 10 năm 1971, một số khác đã được thêm vào chúng - đơn vị đo lượng chất - nốt ruồi.

Cần lưu ý rằng các định luật vật lý không phụ thuộc vào hệ thống mà chúng ta thực hiện các phép đo, mà phụ thuộc vào sự lựa chọn

25

một hệ thống đơn vị tiện lợi giúp đơn giản hóa đáng kể các phép tính khác nhau. Tại đây bạn có thể thực hiện phân tích với các hệ thống số khác nhau. Do đó, trong công nghệ máy tính, cho đến gần đây, hệ thống số tiện lợi nhất là hệ thống số kép, vì một trong những thành phần chính của máy tính - bộ kích hoạt - có hai trạng thái ổn định: không có điện áp ở đầu ra - 0, có điện áp - 1. Ở một số nơi, hệ thống số ở cơ số 3, 4, 5, v.v. có thể thuận tiện. Nhưng có một hệ thống được mọi người hiểu - hệ thập phân. Và nếu kết quả dành cho một số lượng lớn các chuyên môn khác nhau, thì nó phải được chuyển đổi sang hệ thập phân, mặc dù trong một chuyên môn cụ thể, hệ thống khác có thể thích hợp hơn. Đối với hệ thống đơn vị thay đổi cũng vậy. Ví dụ, ở Mỹ có một số chuyên ngành,

làm việc thiết kế các đường ống dẫn khí, đường ống dẫn nước, v.v., như một đơn vị diện tích, họ không sử dụng diện tích của một đơn vị hình vuông mà là diện tích của một đơn vị hình tròn. Đôi khi được xây dựng trong phương trình Newton về tương tác hấp dẫn của hai khối lượng $F = Gm_1m_2/r^2$, hằng số hấp dẫn $G$ bằng 1. Điều này dẫn đến sự thay đổi trong hệ đơn vị. Đặc biệt là giảm số lượng đơn vị cơ bản.

Chưa hết, hệ thống được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay là Hệ thống quốc tế - SI. Những lợi thế là gì?

Hệ thống SI cần thiết cho các chuyên ngành từ các lĩnh vực khác nhau của ngôn ngữ quốc tế - tiếng Latin. Các tác phẩm dành cho mục đích sử dụng nội bộ có thể được viết bằng ngôn ngữ mẹ đẻ của họ, nhưng những gì dành cho toàn bộ cộng đồng khoa học phải được viết bằng tiếng Latinh, khi đó tác phẩm trở nên thuận tiện cho mọi người đọc. (Nhân tiện, công trình của Gauss cũng được viết bằng tiếng Latinh.) Hệ thống SI là một loại hệ thống “lat”, có sẵn cho tất cả mọi người, nhưng không ai bắt buộc phải nấu ăn bằng ngôn ngữ đó ở nhà của họ.

Đây là cách kết thúc câu chuyện dài 37 trang viết cách đây hơn 150 năm.