У світі використовується одразу кілька шкал вимірювання температури. Історія, чому так сталося — складна і заплутана. У її центрі — фігура Габріеля Фаренгейта, людини, що першою зробила термометр таким, яким ми його знаємо.
Життя Фаренгейта
340 років тому, 24 травня 1686 року, народився Габріель Фаренгейт. Хоча зараз його пов’язують зі шкалою температури, яка переважно використовується у США, з’явився на світ він у польському Гданську, хоча сам при цьому за походженням був німцем.
Родина Фаренгейта належала до купецького стану Ганзейського союзу, проте його батьки померли від отруєння грибами. Здавалося б, життя не залишило 15-річному хлопцеві жодного шансу не те що займатися наукою, а й просто не померти з голоду. Проте йому пощастило: родичі змогли відправити його до Амстердама, де він допомагав місцевому торговцю та навчався у нього бухгалтерії.
Там Фаренгейт і прожив наступні п’ять років, аж поки не вирішив, що йому набридло, і втік. Наступні пару років він подорожував Скандинавією та Священною Римською Імперією, аж поки не дістався до рідного Гданська. І десь у цій мандрівці почалася складна і суперечлива історія винайдення ним шкали температур.
Хто винайшов термометр
Загалом термометр та шкали на ньому винайшли задовго до народження Фаренгейта, щоправда, хто це конкретно зробив, сказати неможливо. Зазвичай згадують Галілео Галілея і 1597 рік, але і з ним не все так просто. У роботах самого вченого опису подібного приладу немає. Однак його учні стверджували, що він таки сконструював його.
При цьому вони самі ж вносять додаткову плутанину в це питання. Річ у тім, що явище розширення рідин при нагріванні було відоме ще Герону Александрійському, який жив у І столітті до нашої ери. Щоправда, застосувати це явище для вимірювання температури він не здогадався. Натомість це спало на думку тим, хто жив після нього, зокрема Галілео Галілей.
Хай там як, а ще за кілька десятиліть до народження Фаренгейта термометри вже були достатньо поширені в Європі. Однак просто спостерігати за розширенням спирту (а саме він використовувався у них в ті часи) — це одне, а створити точну систему відліку — зовсім інше. Де на шкалі має бути нуль і якій величині має відповідати градус?
Ще у 1665 році англієць Роберт Гук та голландець Християн Гюйгенс запропонували прив’язати температурну шкалу до точок замерзання та кипіння води. Крім того, вже тоді було очевидно, що важливою також є температура здорового людського тіла. Проте розмір градуса вони обрали вкрай невдало, прирівнявши його до зміни температури, за якої об’єм спирту збільшується на 1/500.
Теоретично все мало гарний вигляд, але за такого підходу найбільша зафіксована ними температура становила 13 градусів, а найнижча -7. Градуси були занадто великими, щоб використовувати їх на практиці навіть для метеорологічних спостережень, не кажучи вже про медицину.
Другу спробу у 1701 році зробив Ісаак Ньютон. Він взяв за нуль точку замерзання води й побудував шкалу так, щоб 12 градусів відповідали температурі нормального людського тіла, а 33 — точці кипіння води. Це вже було краще, але на практиці все одно доводилося користуватися десятими й сотими долями градуса.
Треба було якось точніше розмітити шкалу термометра або, як кажуть фізики, проградіювати її. І для цього треба було виміряти температуру в ширшому діапазоні. Це вдалося данському астроному Оле Ремеру.
Ремер відомий зараз насамперед як людина, яка першою виміряла швидкість світла, причому помилилася менше, ніж у два рази, й лише через ефект оптики, про який тоді нічого не було відомо. Він також був видатним винахідником у галузі вимірювальних пристроїв і людиною, завдяки якій Данія ще 1683 року отримала власну єдину систему вимірювань фізичних величин, а 1700 року — григоріанський календар.
Ремер узяв за нуль температуру, яку йому вдалося виміряти під час найсуворішої зими, а за 60 градусів прийняв точку кипіння води. Отже, вода замерзала за 7,5 градусів, а людське тіло мало температуру близько 30.
Фаренгейт і його шкала
Саме із Ремером у 1708 році зустрівся під час своїх мандрів Фаренгейт. І ця їхня зустріч ось уже три століття породжує нездорові чутки. Згідно з офіційною версією, молодий вчений надихнувся дослідженнями старшого і сам, повернувшись до Гданська, проградіював шкалу, вимірявши температуру снігу, змішаного з нашатирем.
Проте ще за життя обох виникла версія. Градус Ремера все ще був завеликий для практичного використання. Тож схоже було на те, що Фаренгейт просто зробив його в чотири рази меншим, зберігши той самий принцип розбиття шкали. Таким чином він у багатьох випадках зміг позбутися незручних десятих долей.
Насправді все не зовсім так. Сам Габріель Фаренгейт, який з 1718 року повернувся до Амстердама і звідти просував свою шкалу та проводив досліди з іншими сконструйованими ним приладами, дійсно згадував про ідею помножити градуси Ремера на чотири. Але того факту, що на створеній ним шкалі точці кипіння води відповідає 212 градуси, а не 240, що було б при механічному множенні, це не змінює.
Важливу роль у практичному застосуванні нової шкали відіграло удосконалення термометра, здійснене Фаренгейтом. Спирт, який тоді використовувався для вимірювання температури, далеко не найзручніша речовина для спостереження. Фаренгейт був не першим, хто спробував використовувати з цією метою ртуть, яка розширюється значно краще. Однак саме він зрозумів, що цю її особливість можна використати для того, аби поділити шкалу дрібніше.
Саме тому вона стала першою, яку можна було разом із ртутними термометрами використовувати для широкого кола побутових задач. А це саме була доба прийняття національних систем вимірювання. І тому коли створювалася британська імперська метрична система, там як стандарт для температури прийняли градуси німецького винахідника з польського Гданська, що жив у Голландії.
Інші шкали
Фаренгейт представив свою шкалу на засіданні Королівського наукового товариства у Лондоні 5 травня 1724 року. І здавалося б, вона мала усіх задовольнити. Але це було не так, й інші вчені продовжували наукові пошуки в цій галузі. Наприклад, його французький колега Рене Реомюр (якого не варто плутати з Ремером) продовжував експериментувати зі спиртовими термометрами. І йому таки вдалося проградіювати шкалу термометра до, як він думав, точки кипіння води й позначити її як 80 градусів, лишивши нуль на точці замерзання.
Його альтернативна шкала дуже сподобалася уряду Франції, якому традиційно не подобалося все, що робилося в Англії. Проте Реомюр помилився. Він прийняв за точку кипіння води температуру кипіння спиртового розчину (78 °С), і ще за його життя помилку знайшли, однак замість того, щоб таки визнати, що чиста вода кипить при 108 градусах Реомюра, збільшили сам градус так, щоб він відповідав початковому значенню.
Хтозна, що було б, якби послідовники Реомюра обрали б інший шлях. Можливо, його шкала і досі десь використовувалася, а так вона вирушила до музеїв разом зі шкалами Рьомера, Ньютона та Гука.
Проте не так склалося зі шкалою, запропонованою у 1742 році шведським астрономом, метеорологом та математиком Андреасом Цельсієм. На перший погляд, вона зовсім не мала жодних перспектив. Бо він не тільки запропонував її, коли всі вже почали звикати до фаренгейтової, але й спочатку встановив нуль як точку кипіння води, а 100 градусів — як точку її замерзання.
Шкала могла зовсім залишитися нікому невідомою, адже за два роки після її винайдення Цельсій помер, не доживши до свого 43-го дня народження. Проте співвітчизники-вчені одразу оцінили задум і те, наскільки кращим він стає, якщо «перевернути» шкалу.
Почалося її поступове розповсюдження світом. Спочатку такі термометри називалися шведськими, потім просто стоградусною шкалою і тільки у 1948 році Міжнародний комітет мір та ваг ухвалив рішення використовувати як загальноприйняту міру температури градус Цельсію.
Однак і це ще був не кінець. Ще у XVIII столітті вчені зацікавилися питанням: а як далеко від звичного нам діапазону простягається шкала температур. І якщо верхню її межу не так вже й просто розгледіти навіть зараз, щодо нижньої ще тоді стало зрозуміло, що вона знаходиться не так вже й далеко від точки замерзання води.
У 1848 році Вільям Томпсон, лорд Кельвін, опублікував статтю, відповідно до якої температура на 273 градуси Цельсію нижче точки замерзання води є максимально холодним станом, в якому можуть існувати речовини. Нині ми знаємо її як абсолютний нуль. А оскільки вона відіграє важливу роль у фізиці, була створена нова шкала, нуль на якій відповідає цій гранично малій температурі, а одиниця вимірювання, рівна за значенням градусу Цельсія, зветься кельвіном.
При цьому цікаво, що в той час шкала Фаренгейта все ще лишалася значущою, через що виникла необхідність якось адаптувати її до факту існування абсолютного нуля. Так, 1859 року, з’явилася шкала Ранкіна. Нуль на ній був той самий, що і на шкалі Кельвіна, але використовувалися градуси не Цельсія, а Фаренгейта.
Щоправда, ця ініціатива так і залишилася мертвонародженою. Хоча найбільша на той час у світі Британська імперія й далі використовувала шкалу Фаренгейта, у науковому середовищі та інших країнах поступово утверджувалася 100-градусна шкала шведського фізика.
У ХХІ сторіччі від шкали Фаренгейта відмовилися навіть у Великій Британії. У світі лишилося лише дві країни й кілька невеликих острівних територій, які її використовують. Одна з них зветься США, і там навіть космічні відстані намагаються вимірювати у футах та милях.
Відповідно, і температура зір теж часто подається у градусах Фаренгейта. А оскільки США домінують в освоєнні космосу, то і решті світу так чи інакше доводиться контактувати із цією системою. А значить, варто розуміти, як переходити від однієї шкали до іншої.
Як перевести значення температури між шкалами
Щоб перевести градуси Фаренгейта в шкалу Цельсія, треба лише від потрібного значення відняти 32 і помножити результат на 5/9. Відповідно, для зворотного переходу треба градуси Цельсія поділити на 5/9 (або ж помножити на 9/5) і додати 32.
Переведення в інші шкали, навіть у ті, що нині не використовуються, теж є достатньо простим. Кельвіни — це градуси Цельсія, до яких додають 273,15. Відповідно, для зворотного переходу потрібно просто відняти це саме число.
Шкала Ранкіна переводиться так: або значення множать на 5/9 і отримують кельвіни, або від нього віднімають 459,67 і отримують градуси Фаренгейта. Далі, залежно від того, що вийшло, застосовують одну з наведених вище формул для переведення у градуси Цельсія.
Для переведення зі шкали Реомюра треба значення множити на 1,25. Для зворотного переходу — множити градуси Цельсія на 0,8. Для переведення градусів Ремера в цельсії від них треба відняти 7,5 помножити на 40 і поділити на 21. Для зворотного переходу треба спочатку множити на 21, потім ділити на 40 і, нарешті, додавати 7,5. Градуси Ньютона треба множити на 100 і ділити на 33 і тоді виходять цельсії.
