So erstellen Sie präzise Messungen von Grund auf neu

Das ist ein faszinierendes Problem, weil es zeigt, wie schwierig es ist, Maßeinheiten zu definieren. In der Schule wird uns oft der Eindruck vermittelt, dass die Einheiten unversehrte Grundstrukturen der Natur sind, aber die Realität zeigt etwas anderes.

Diese Aufgabe wäre vor 1960 unmöglich gewesen. Von 1889 bis 1960 wurde der Zähler tatsächlich durch einen bestimmten Barren definiert , der in Sèvres, Frankreich, gelagert wurde. Ohne Zugang dazu wäre es praktisch unmöglich, ein 1-Meter-Objekt zu konstruieren. Vor dieser Zeit war der Meter tatsächlich als 1/10.000.000 eines Quadranten entlang des Erdmeridians definiert. Interessanterweise war der von ihnen konstruierte Meterstab aufgrund einer Fehlkalkulation tatsächlich 200 µm kürzer, als er hätte sein sollen, aber sobald der Balken angeschlagen war, wurde er zum Meter.

Von 1960 bis 1983 wurde das Messgerät auf 1650763,73 Lichtwellenlängen von einem bestimmten Übergang in Krypton-86 neu definiert. Dies bedeutete, dass man zum ersten Mal einen endgültigen "Meter" haben konnte, der nicht an ein physisches Objekt gebunden war, das beschädigt oder abgenutzt werden konnte. Diese Definition wurde 1983 durch unsere jetzige ersetzt, die die Strecke ist, die Licht in einem Vakuum in 1/299.792.458stel Sekunde zurücklegt. Diese Definition sperrte das Messgerät auf eine physikalische Konstante (die Lichtgeschwindigkeit) und die zweite.

Schluck die Spinne, um zur Fliege zu gelangen ... okay, wie messen wir eine Sekunde auf Nanosekunden genau?

Am längsten wurde die „Sekunde“ als Bruchteil des Tages gemessen. Das reichte über Jahrhunderte aus. Der Tag variiert jedoch tatsächlich geringfügig, sodass wir ihn 1956 neu definiert haben als „den Bruchteil 1/31.556.925,9747 des tropischen Jahres für den 0. Januar 1900 um 12 Stunden Ephemeridenzeit“. Ja, so machen wir das in der Wissenschaft.

Natürlich konnte man leicht den Überblick darüber verlieren, wie lange der Zeitraum im Jahr 1900 genau war, daher war dies alles andere als ideal. 1967, nach der Erfindung der Atomuhr, wurde sie neu definiert als „die Dauer von 9.192.631.770 Strahlungsperioden, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen“. Was für ein Schluck!

Diese Zahlen sind also unglaublich genau. Sie müssen es sein. Wenn Sie die Sekunde auf 1 Teil pro Milliarde (eine Nanosekunde) genau messen möchten, damit Sie einen Meter auf 1 Teil pro Milliarde (Nanometer) messen können, benötigen Sie all diese Sig-Feigen. Wenn Sie nur 10 dieser winzigen Übergänge in Ihren Cäsiumatomen verpassen, sind Sie um eine Nanosekunde daneben!

In dieser Größenordnung beginnen dumme Dinge eine Rolle zu spielen. Zum Beispiel bemerkten wir, dass die Zeit aufgrund relativistischer Effekte für einige Uhren in verschiedenen Höhen schneller lief. Ja, relativistische Effekte spielen auf diesen Skalen eine Rolle, daher wurde die Sekunde 1997 erneut als die Rate einer Atomuhr definiert, die auf mittlerem Meeresspiegel arbeitet! Dies hatte einen Unterschied von etwa 0,1 ns pro Sekunde, sodass es auf den Skalen angezeigt wird, die Ihnen wichtig sind.

Also um deine Frage zu beantworten, nein. Eine einzelne Person ist nicht bereit, in ihrem Leben einen genauen Meterstab zu machen. Ihr erster Schritt wäre die Herstellung einer Atomuhr, die hochreine Komponenten, Hochvakuum und eine Menge hochpräziser Bearbeitung erfordert. Damit könnten Sie etwas Cäsium-133 erwerben und eine Sekunde mit ausreichend hoher Genauigkeit messen. Dann könnten Sie versuchen, die Lichtgeschwindigkeit mit einem anderen teuren wissenschaftlichen Instrument zu messen, um Ihr Messgerät zu erstellen.

Schließlich könnten Sie Ihren Meterstab erstellen. Wussten Sie, dass dies nicht einfach ist? Die Maschinisten und Messtechniker, die diese hochpräzisen Messgeräte bauen, sind außergewöhnlich. Hoffentlich hat Ihr isolierter Mensch, der zehntausend Jahre zurückgeschickt wurde, sein ganzes Leben damit verbracht, diese Kunst zu beherrschen!

Sie könnten versuchen, einen Schritt zurück in die Geschichte zu gehen und die Krypton-Definition zu verwenden. Sie könnten ein Interferometer bauen, um diese Messung durchzuführen. Der Übergang zur Messung des Meters basierend auf der Lichtgeschwindigkeit wurde jedoch teilweise vollzogen, weil die besten Wissenschaftler der Welt Schwierigkeiten hatten, genauer als etwa 0,2 nm zu messen. Durch den Wechsel zu einer auf der Lichtgeschwindigkeit basierenden Definition konnten sie Frequenzen messen, was viel einfacher war. Wenn die besten Wissenschaftler und Metrologen unserer Welt Schwierigkeiten hatten, genau auf der Skala zu messen, an der Sie interessiert sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass Sie damit 10000 v. Chr. Probleme haben werden.

Glücklicherweise brauchen Sie keine Kilogramm-Definition. Dieser wird immer noch vom IPK in Frankreich definiert, ein Klumpen Platinirridium. Es gibt derzeit Bemühungen, diese Definition zu ändern, indem das Kilogramm neu definiert wird als "1000/27,9769265325 · 6,02214179 × 10 ^ 23 Atome von Si-28. Ja ... das gilt als "bessere" Definition des Kilogramms. Metrologie ist eine verrückte Kunst , aber Sie müssen ihre makellose Präzision respektieren!

Triviale Aufgabe, max. 2 Tage.

Kennen Sie Ihre Größe oder ein anderes Größenmaß? Nehmen Sie, was da ist (Ton, Holz, ...) und fangen Sie an, Stäbe am laufenden Band zu produzieren, um Haaresbreite anders. Hunderte, alle im augeballten Stadion von 1m. Dann umarme sie oder warte auf den Einbruch der Dunkelheit. Die Wärmeausdehnung garantiert, dass eines davon genau das Messgerät ist, das Sie benötigen.

Die Aufgabe gab nicht an, dass Sie zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einen bestimmten Stab zeigen mussten ...

Wenn Sie Ihre Körpergröße wüssten, wäre es ziemlich einfach, die Länge eines Meters zu ermitteln.

Im Allgemeinen kennen die Menschen ihre Körpergröße jedoch nur in Metern mit 3 oder 4 signifikanten Ziffern. Es wäre praktisch unmöglich, die Länge auf einen Nanometer genau zu bekommen. Daher müssten Sie auf die Definition des Meters zurückgreifen: 1/299 792 458stel der Entfernung, die das Licht in einer Sekunde zurücklegt. Außerdem müsste man wissen, wie lang eine Sekunde ist: genau 9.192.631.770 Perioden einer bestimmten Strahlungsfrequenz des Cäsiumatoms.

In Wirklichkeit müssten Sie also eine Atomuhr, eine elektronisch gesteuerte (Handsteuerung würde nicht zur erforderlichen Genauigkeit führen) Lichtquelle (vorzugsweise einen Laser) und eine sehr, sehr lange Strecke absolut flachen Landes bauen ein Vakuum (Licht breitet sich in Luft mit einer anderen Geschwindigkeit aus). Ganz zu schweigen von all der notwendigen Technologie, um raffiniertes Metall, Elektronik usw. herzustellen. Sie müssten auch Cäsium finden und reinigen, was eher ungewöhnlich ist.

Ich würde sagen, es ist unmöglich in einem Leben.

Wenn es auf den Nanometer genau sein muss, wahrscheinlich nicht. Der Meter, wie wir ihn kennen, ist definiert als „die Länge des Wegs, den Licht im Vakuum während eines Zeitintervalls von 1/299 792 458 Sekunde zurücklegt“. Der Meter wurde ursprünglich als ein Zehnmillionstel der Länge des Nullmeridians definiert, eine Entfernung, die Sie ohne fortschrittliche Technologie wahrscheinlich nicht berechnen können. Eine alternative Methode, die plausibler, aber immer noch unwahrscheinlich ist, wäre die Konstruktion eines Pendels mit einer Halbperiode von einer Sekunde. Die Entfernung, um die das Pendel schwingt, beträgt ungefähr einen Meter. Darüber hinaus gibt es wirklich keinen sicheren Weg, einen Zähler zu bestimmen, ohne irgendeine Art von zählerbezogener Messung zu haben.

Wenn die Nähe zählt und Sie die richtigen Materialien haben, können Sie möglicherweise einen Bäumchen verwenden. Wenn Sie wissen, wie viel eine bestimmte Baumart in 365 Tagen wachsen wird, können Sie ausrechnen, wie lange es dauern würde, um einen Meter zu wachsen, und dann den Baum fällen. In ähnlicher Weise könnten Sie nachschlagen / sich merken, wie lang der eine oder andere Knochen in einem durchschnittlichen, aber alten Menschen ist, und Ihr Lineal darauf aufbauen. Es wird noch nicht perfekt sein, aber es wird nah dran sein. Und wirklich, wer wird Sie darauf ansprechen?

Der einfachste Weg, dies zu tun, wenn Sie Zugang zu allem aktuellen irdischen Wissen in Ihren Händen hätten und die Technologie der Bronzezeit und die Menschen, die Ihnen zur Verfügung stehen (um das Material abzubauen und so), wäre es, einige einfache volumetrische Berechnungen mit mehreren Systemen durchzuführen.

Zum Beispiel würde ich das Gewicht von Eisen, Bronze, Messing, Kupfer, Zinn usw. pro Kubikmeter oder Pfund pro Fuß kennen. und ich kann ungefähr die richtige Größe für beide auf den Kopf stellen. Da wir mit immer größerer Genauigkeit konvertieren können, wenn wir nicht von unserem dritten zusammengesetzten System zu beiden konvertieren könnten, dann würden wir wissen, dass wir daneben waren, und es einfach durch Testen und Versagen herausfinden, bis wir die richtigen Abmessungen erhalten.

Eine andere Möglichkeit, es zu tun, wenn Sie eine Art Kamera gebaut haben oder ein Handy dabei hatten, das könnte, ist, einfach Sachen von hohen Stellen zu werfen, während eine Kamera Bilder macht, während sie fällt. Und wenn Sie wieder mehrere Systeme und Ihr eigenes verwenden, konvertieren Sie einfach und finden die Fallrate, deren Anzahl Sie einmal mit Ihrer Wissensbasis kennen würden, denn ab einem bestimmten Punkt hören die Dinge auf, sich zu beschleunigen.

Eine andere Möglichkeit, dies zu bestimmen, wäre, auf die Sonne zu schauen und sie oder den Mond zu messen, während sie sich über den Himmel bewegt, von dem wir die Entfernung kennen und daher eine Zahl erhalten könnten ...

Letztendlich würden Ihnen alle Möglichkeiten jedoch wahrscheinlich nur eine Skala von Meter zu Millimeter geben, aber sobald Sie eine grobe Schätzung davon haben, können Sie ziemlich einfach Querverweise zwischen mehreren Dingen wie in der ersten Option und ziemlich einfach durchführen finde es ziemlich genau.

Ich halte die Messung nicht für den schwierigen Teil Ihrer Frage, denn vorausgesetzt, Sie hatten die Technik dazu, ist es angesichts des gesamten Wissens ziemlich einfach. Wenn Sie mich nun bitten würden, die Stange zu bearbeiten, anstatt zu sagen, ob und wann sie diese genaue Länge hat, gäbe es ein größeres Problem, denn das erfordert Präzisionsinstrumente, die Fähigkeiten und Materialien erfordern, die im Maßstab einer Zivilisation aufgebaut werden müssen, um sie zu erreichen . Könnten Sie es in einem Leben tun? Ja... wenn dir alle zuhören und mit dir arbeiten würden, könntest du es leicht. Das Problem ist, dass sie es nicht tun würden, und so könnten Sie es bestenfalls aufschreiben oder versuchen, die Verantwortlichen davon zu überzeugen, dass die derzeitige Zivilisation auf Sie hört.

Nehmen Sie an, dass alle Materialien, Chemie usw. gleich sind, Sie über grundlegende Technologie und wissenschaftliches Wissen verfügen, aber dass Sie keine Artefakte haben: Nicht einmal Ihre Größe.

Wasser ist dasselbe, also können Sie ein Thermometer mit einer Celsius-Skala konstruieren.

Jede geeignete Batteriechemie gibt Ihnen eine Referenz für eine Standard-Volt-Spannungsskala.

Unter Verwendung des bekannten e/m-Verhältnisses eines Elektrons gibt Ihnen eine e/m-Röhre eine Skala für eine Standard-Ampere-Strommessung.

Schließlich können Sie anhand der thermischen Eigenschaften von Wasser Standards für einen Liter und einen Kubikzentimeter erstellen. Daraus können Sie betriebsbereite Kilogramm und Meter erhalten.