1.2.3 Вимірювання

Більшість наукових експериментів і спостережень передбачають проведення різноманітних вимірювань. Вимірювання — це процес, суть якого полягає у визначенні кількісних значень тих чи інших властивостей, сторін досліджуваного об'єкта або явища за допомогою спеціальних технічних пристроїв.

Величезне значення вимірювань для науки відзначали багато відомих учених. Наприклад, Д. І. Менделєєв підкреслював, що "наука починається з того моменту, коли починають вимірювати". А відомий англійський фізик В. Томсон (Кельвін) указував на те, що "кожна річ відома лише настільки, наскільки її можна виміряти".

Важливою стороною процесу вимірювання є методика його проведення. Вона являє собою сукупність прийомів, що ґрунтуються на певних принципах і засобах вимірювання. Під принципами вимірювання в даному випадку розуміють якісь явища, що лежать в основі вимірювань (наприклад, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту).

Наявність суб'єкта (дослідника), який проводить вимірювання, не завжди є обов'язковою. Він може й не брати особистої участі в процесі вимірювання, якщо вимірювальна процедура є складовою частиною роботи автоматичної інформаційно-вимірювальної системи. Остання базується на використанні електронно-обчислювальної техніки. Причому, коли з'явилися* порівняно недорогі комп'ютери, вимірювальна техніка дістала можливість створювати "інтелектуальні" прилади, які обробку даних вимірювань здійснюють одночасно з власне вимірювальними операціями.

Результат вимірювання має вигляд певного числа одиниць вимірювання. Одиниця вимірювання — це еталон, з яким порівнюється характеристика об'єкта або явища, що вимірюється (еталону присвоюється числове значення "1"). Існує багато одиниць вимірювання, що відповідає великій кількості об'єктів, явищ, їхніх властивостей, характеристик, зв'язків, які доводиться вимірювати в процесі наукового пізнання. При цьому одиниці вимірювання поділяються на основні, які є базисними при побудові системи одиниць, і похідні, що виводяться з інших одиниць на основі якихось математичних співвідношень.

Методику побудови системи одиниць як сукупності основних і похідних одиниць уперше запропонував у 1832 році К. Гаусе. Він запропонував систему одиниць, у якій за основу було прийнято три довільні, незалежні одна від однієї основні одиниці — довжини (міліметр), маси (міліграм) і часу (секунда). Усі інші (похідні) одиниці можна було визначити за допомогою цих трьох. Пізніше, з розвитком науки й техніки, з'явилися й інші системи одиниць фізичних величин, побудовані за принципом, запропонованим Гауссом. Вони базувалися на метричній системі мір, але відрізнялися одна від однієї основними одиницями.

Крім того, у фізиці з'явилися так звані природні системи одиниць. їх основні одиниці визначалися на основі законів природи (це виключало сваволю людини як чинника, що впливає на побудову зазначених систем). Як приклад можна навести "природну" систему фізичних одиниць, запропоновану у свій час Максом Планком. За її основу було взято "світові сталі": швидкість світла у вакуумі, стала тяжіння, стала Больцмана й стала Планка. Взявши ці величини за основу та прирівнявши їх до "1", Планк одержав ряд похідних одиниць (довжини, маси, часу й температури).

Учений писав із приводу одиниць запропонованої ним системи так: "Ці величини зберігають своє природне значення, поки закони всесвітнього тяжіння й поширення світла у вакуумі та два основні начала термодинаміки залишаються незмінними; вони повинні бути однаковими, якими б розумними істотами і якими б методами вони не визначалися".

Значення подібних "природних" систем одиниць (до них належить також система атомних одиниць Хартрі та деякі інші) полягає в істотному спрощенні вигляду окремих рівнянь фізики. Однак запис одиниць таких систем робить їх незручними для застосування на практиці. Крім того, точність вимірювання основних одиниць подібних систем, необхідна для встановлення всіх інших похідних одиниць, є аж ніяк не достатньою. Через зазначені причини запропоновані дотепер "природні" системи одиниць не можуть у даний час вирішити проблему уніфікації одиниць вимірювання.

Питання про забезпечення однаковості при вимірюванні величин, що відображають ті чи інші явища матеріального світу, завжди було дуже важливим. Відсутність такої однаковості в минулому створювала істотні труднощі в розвитку наукового пізнання. Наприклад, до 1880 року включно не існувало погодженості щодо вимірювання електричних величин: використовувалося 15 різних одиниць електричного опору, 8 одиниць електрорушійної сили, 5 одиниць електричного струму й т.д. Такий стан справ значною мірою утруднював зіставлення результатів вимірювань і розрахунків, виконаних різними дослідниками. Гостро постала необхідність уведення єдиної системи електричних одиниць. Таку систему було прийнято на Першому міжнародному конгресі з електрики, що відбувся в 1881 році.

Найбільшого поширення в наш час у природознавстві набула Міжнародна система одиниць (СІ), прийнята в 1960 р. на 11 Генеральній конференції з питань мір і ваги. В основі Міжнародної системи одиниць — сім основних (метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, кандела, моль) і дві додаткові (радіан, стерадіан) одиниці. За допомогою спеціальної таблиці множників і префіксів можна утворювати кратні й часткові одиниці (наприклад, за допомогою множника 10~3 і додавання префікса "мілі" до найменування кожної з названих вище одиниць вимірювання можна утворювати часткову одиницю величиною в одну тисячну від вихідної).

Міжнародна система одиниць фізичних величин є найбільш досконалою та універсальною серед усіх, які існували до цього часу. Вона охоплює фізичні величини механіки, термодинаміки, електродинаміки й оптики, що пов'язані між собою фізичними законами.

Нагальною потребою в умовах сучасної науково-технічної революції є створення єдиної Міжнародної системи одиниць вимірювання. Тому такі міжнародні організації, як ЮНЕСКО й Міжнародна організація законодавчої метрології зобов'язали держави, які є членами цих організацій, прийняти вищезгадану Міжнародну систему одиниць і градуювати всі вимірювальні прилади відповідно до цих одиниць.

Існує кілька видів вимірювань. Беручи до уваги характер залежності вимірюваної величини від часу, вимірювання поділяють на статичні й динамічні. Під час статичних вимірювань величина, яку ми вимірюємо, залишається постійною в часі (вимірювання розмірів тіл, постійного тиску й т.п.). До динамічних належать такі вимірювання, у процесі яких вимірювана величина змінюється в часі (вимірювання вібрацій, змінних тисків і т.п.).

За способом одержання результатів розрізняють вимірювання прямі й непрямі. Коли проводять прямі вимірювання, невідоме значення вимірюваної величини одержують шляхом безпосереднього порівняння її з еталоном або визначають за допомогою вимірювального прилада. Коли вдаються до непрямого вимірювання, шукану величину визначають за допомогою відомої математичної залежності між цією величиною та іншими величинами, одержаними шляхом прямих вимірювань (наприклад, визначення питомого електричного опору провідника за його опором, довжиною і площею поперечного перерізу). Непрямі вимірювання широко використовуються в тих випадках, коли шукану величину неможливо або занадто складно виміряти безпосередньо, або коли пряме вимірювання дає менш точний результат.

Технічні можливості вимірювальних приладів значною мірою відображають рівень розвитку науки. Із точки зору сучасної науки, прилади, що використовувалися вченими-натуралістами в 19 столітті й на початку нашого століття, були дуже недосконалими. Проте за допомогою цих приладів було відкрито й вивчено важливі закономірності природи, здійснено блискучі експерименти, що залишили помітний слід в історії науки. Оцінюючи, наприклад, значення відомих вимірювань швидкості світла, проведених американським фізиком А. Майкельсоном, для наступного розвитку науки, академік С. І. Вавілов писав: "На основі його експериментальних відкриттів і вимірювань виросла теорія відносності, розвинулися й рафінувалися хвильова оптика та спектроскопія, зміцніла теоретична астрофізика".

З прогресом науки розвивається й вимірювальна техніка. Разом з удосконаленням існуючих вимірювальних приладів, що працюють на основі традиційних, усталених принципів (заміна матеріалів, з яких виготовлено деталі прилада, внесення в його конструкцію окремих змін і т.д.), відбувається перехід до принципово нових конструкцій вимірювальних пристроїв, що зумовлено новими теоретичними знахідками. В останньому випадку створюються прилади, у яких втілюються нові наукові досягнення. Так, наприклад, розвиток квантової фізики істотно розширив можливості вимірювань з високим ступенем точності. Використання ефекту Месс-бауера дозволило створити прилад, який має точність, що наближається до 10"13 % вимірюваної величини.

Добре розвинуте вимірювальне приладобудування, різноманітність методів і високі характеристики засобів вимірювання сприяють прогресу в наукових дослідженнях. У свою чергу, вирішення наукових проблем, як уже зазначалося вище, часто відкриває нові шляхи для удосконалення самих вимірювань.