Сколько сегодня градусов? Как часто вы задаетесь этим вопросом, особенно перед тем как выйти из дома. Температура воздуха (наряду с наличием или отсутствием осадков) стала для нас ключевым параметром текущей погоды, а термометр – привычной частью быта. Но еще несколько столетий назад люди вообще не заботились измерением температуры воздуха, а термометры встречались лишь в немногочисленных научных лабораториях (да и то с XVI века). В этом плане, термометр и телескоп практически ровесники, но сравните, как часто вы пользуетесь телескопом и термометром…И редко задумываемся о том, что термометр имеет свою весьма занимательную историю.
Отличать тепло от холода умеет большинство живых организмов, это мы не можем записать в «актив» достижений человеческого разума. Но еще в древности люди заметили, что при нагревании воздух расширяется. Используя это свойство, александрийский математик и инженер Герон еще во II веке до н.э. построил систему поднятия воды путем нагревания.
Очевидным следующим шагом было научиться измерять степень нагревания/охлаждения воздуха. И, полтысячелетия спустя, другой математик, Филон Византийский якобы сконструировал некий прибор для измерения температуры воздуха и воды. По крайней мере, об этом есть упоминания в некоторых трактатах того времени. Но ни прибор, ни его чертежи так и не найдены, равно как нет информации о попытках повторить работу Филона. Поэтому эту попытку создания термометра мы не засчитываем. Пока не будет доказано иное.
Тысячу лет с лишним подвижек к решению этой задачи (измерения температуры) не было, а затем просто понеслось. Понеслось не случайно: в позднем Средневековье естествознание переживает очередной расцвет, растут университеты, открываются научные лаборатории. И им позарез нужна приборная база. В частности, инструмент, который мог бы точно измерить, как меняется температура (воздуха, растворов и проч.). Над созданием такого инструмента работали многие и сегодня лавры создателя термометра приписывают сразу нескольким ученым.
Перечислю лишь некоторых.
Ян Баптиста ван Гельмонт, уроженец Брюсселя, представитель движения т.н. «ятрохимиков» (наиболее известный из них - Парацельс), стремившихся выделить из алхимических трактатов рациональное зерно и применить его в медицине. Считается, что он первым описал, как должен быть устроен прибор для измерения температуры, но сам его так и не сконструировал.
Итальянский физик Галилео Галилей. Сам он такой прибор не описывал, но его ученики засвидетельствовали, что в 1597 году он создал термоскоп.
Он представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой, которая помещалась в жидкость. Воздух в стеклянном шаре посредством горелки или простым растиранием ладонями нагревался, в результате чего он начинал вытеснять жидкость в стеклянной трубке, показывая тем самым степень увеличения температуры: чем тоньше была трубка, тем выше была «точность» прибора. Считается, что на эти изыскания Галилея вдохновили описания устройств Герона.
Итальянский же врач Санторио, много лет занимавшийся изучением анатомии и физиологии. Кстати, он преподавал в Падуанском университете примерно в те же годы, когда там обучался Уильям Гарвей, человек, объяснивший, как работает сердце. Для своих опытов Санторио сам придумывал и изготавливал оборудование. Так в 1626 году он построил ртутный термометр, который мог измерять температуру человеческого тела. Прибор мало напоминал современные градусники: имело форму шара и продолговатую извилистую трубку, на которой были нарисованы деления, свободный конец трубки заполняли подкрашенной жидкостью. Измерения были грубыми, но, с точки зрения медицины, главным достижением Санторио было то, что он установил: у здорового человека должна быть постоянная температура тела. Нам это кажется очевидным, но до Санторио врачи об этом не задумывались.
Были и другие претенденты. На протяжении определенного времени, усовершенствования термометров касались их формы и содержимого, но не точности. Голландец Ван-Дребель доработал термоскоп, сделав его более чувствительным и окрасил воду, что облегчило работу с ним. В Флорентийской академии научились делать термометры, не зависящие от атмосферного давления: вместо воды, термометры стали заполнять подкрашенным спиртом, а верх стеклянной трубки запаивать. Но чем больше становилось термометров, тем острее вставал вопрос их «стандартизации», появления общепринятых единиц измерения температуры.
В 1672 году немецкий физик и, по совместительству, бургомистр города Марбурга Отто фон Герике создал семиметровый прибор измерения температуры с восемью делениями, от «великого холода» до «великой жары».
Термометр Герике. Иллюстрация из книги Otto von Guericke’s Experimenta Nova Magdeburgica.
Текущую температуру на шкале указывала подвижная фигурка ангела, а в качестве начальной точки (того самого «великого холода») он взял температуру первых осенних заморозков. Проблема в том, это была величина переменная, а приборам в качестве «точки отсчета» требуется константа.
Примерно в те же годы известный физик Роберт Бойль (1627—1691) предложил принять за исходную точку температуру замерзания воды. Однако вскоре обнаружили, что для построения шкалы одной исходной точки недостаточно. Сначала, с подачи Гюйгенса в качестве второй точки стали брать температуру кипения воды. Далее Ньютон сделал еще более подробную шкалу с шестью температурными отметками: 1° – тающего льда, 2° – человеческой крови, 3° – плавления воска, 4° – кипения воды, 5° – плавления сплава свинца, висмута и олова и 6° – плавления чисто свинца.
Но и такая шкала не была достаточно точной, чтобы продержаться в качестве эталона сколь-нибудь долгое время. Потому уже через четверть века было предложено новое решение, работающее, кстати, до сих пор. Автором его стал немецкий физик (согласно другой версии – голландец) Габриэль Фаренгейт (1686 - 1736).
Подобно многим ученым того времени, он сам изготавливал приборы (часть для себя, часть на продажу). Были в их числе и термометры, которые отличались высокой точностью, благодаря использованию нескольких фиксированных точек.По поводу того, как он выбрал температуру для нулевой отметки, известна следующая история. Когда, зимой 1709 года он делал свой первый спиртовой термометр, в его родном Данциге была необычно суровая зима. И Фаренгейт решил взять за начало шкалы нижнюю степень морозов того года. Точнее ее аналог, который можно было бы воспроизвести в лаборатории. Таковой оказалась температура соляного раствора (из льда, поваренной соли и нашатыря в равном соотношении), что равно -17.78 °C. Это и есть ноль на широко известной сейчас шкале Фаренгейта.
Вторая точка 32 °F была точкой плавления льда, т.е. температурой смеси льда и воды в соотношении 1:1 (0 °C). Третья точка – это нормальная температура человеческого тела, которой он приписал 96 °F (позже ее уточнили и теперь она составляет 98 °F). Опираясь на эти точки, Фаренгейт и построил шкалу своего градусника, добавив туда затем еще и четвертую константу - температуру кипения воды (212 °F). Правда, наука к тому времени уже знала, что температура кипения воды может меняться в зависимости от атмосферного давления, поэтому Фаренгейт эту точку к основным не относил.
Есть и криптоисторическая версия о том, что Фаренгейт был масоном и имел в ложе степень посвящения «32 градуса». Отсюда, дескать, и взята разница в 32 градуса между нулем на его шкале и точкой таяния льда, ставшая отправной для определения всех последующих констант.
Что там было на самом деле с масонами, история темная. Но достоверно известно, что достижения Фаренгейта были отмечены принятием в члены Лондонского королевского общества (одной из первых европейских Академий наук), а его шкала используется по сей день (главным образом в Великобритании и США). Есть относительно несложный способ перевести температуру по Фаренгейту в привычные нам градусы по Цельсию: следует от данного числа отнять предварительно 32, а затем полученный остаток помножить на 5/9. Соответственно, если требуется обратный перевод («из Цельсия в Фаренгейта»), градусы их следует помножить на 9/5 и к произведению прибавить 32.
Система Фаренгейта оказалась не единственной. В 1730 году французский ученый Рене Антуан Реомюр предложил свой вариант шкалы.
Некоторые дореволюционные термометры Реомюра благополучно дожили до наших дней
Реомюр построил ее в соответствии с тепловым расширением жидкости. Обнаружив, что при нагревании смесь воды со спиртом между температурами замерзания и кипения воды расширяется на 80 тысячных своего объема (современное значение — 0,084), Реомюр разделил этот интервал на 80 градусов. Термометры Реомюра были весьма распространены вплоть до начала ХХ века, пока их не вытеснили приборы, работающие по шкале Цельсия.
Свой вариант температурной шкалы шведский астроном Андреас Цельсий предложил еще в 1742 году. Он поделил расстояние между точками на 100 интервалов, цифрой 100 была отмечена точка таяния льда, а 0 — точка кипения воды. И на сегодня это самый распространенный способ измерять температуру.
А дальше произошел своеобразный повтор ситуации времен Галилея и Санторио – термометры изготавливали повсеместно, но использовали при этом самые разные шкалы, помимо упомянутых Фаренгейта, Реомюра и Цельсия был еще с десяток вариантов. Использованию в быту это сильно не мешало, другое дело в науке или на производстве (а термометры к тому времени перестали быть исключительно научным прибором). Ведь для того, чтобы воспроизвести процесс по чьим-то записям, предварительно требовалось «перевести» градусы, которыми пользовался автор в те, что были на вашем термометре. Кроме того, вскоре выяснилось, что даже тщательно проградуированные приборы с разными жидкостями показывают разную температуру. При 50° С по ртутному термометру спиртовой показывал 43 ° С, термометр с оливковым маслом – 49 ° С, а с соленой водой – 45,4 ° С.
В общем, требовалось довести процесс стандартизации до конца. И это успешно проделал другой известный физик У. Томсон (лорд Кальвин). В 1848 году он предложил измерять не температуру, а количество тепла, которое в определенном процессе, называемом циклом Карно, передается от горячего тела к холодному: оно определяется только их температурами и совершенно не зависит от нагреваемого вещества. В термодинамической, или абсолютной, шкале температур, построенной на этом принципе, единица температуры называется кальвин.С точки зрения науки шкала Кальвина была оптимальным решением. Но с позиций повседневной практики, весьма неудобной, да и воспроизвести цикл Карно вне метрологической лаборатории было затруднительно. Поэтому шкала Кельвина (доработанная в прошлом веке) востребована в основном в науке, а в остальных сферах человечество обходится шкалами Фаренгейта и Цельсия (а кое-где и шкалой Реомюра).
Ну и напоследок, еще один интересный факт из истории термометров. Внедрение их в широкую терапевтическую практику в нашей стране связано с именем знаменитого врача Сергея Петровича Боткина. Ко времени начала его работы в Императорской медико-хирургической академии уже были созданы предпосылки для перехода от эмпирической терапии к научной, с обоснованными объективными методами диагностики и лечения больных. Но именно он стал «локомотивом» этого процесса в русской медицине. В частности, методологически обосновал необходимость измерения температуры пациента, как при первичном осмотре, так и в процессе лечения.
