Gli umani misurano le cose. Ossessivamente. Chiamatela costrizione, forse, ma è la nostra natura. Dai polsini della pressione sanguigna allo spettrofotofluorometro selvaggiamente specifico, quantifichiamo tutto. Scienza? Ancora di più. Il baseball, ovviamente.
I fisici costruiscono modelli. Equazioni come la legge dei gas ideali: ‘PV = nRT’. Dice che raddoppia la temperatura (supponendo che nient’altro cambi), raddoppi la pressione. Una linea teorica pulita. Ma la teoria non basta. Devi controllare se il mondo ascolta davvero. Questo è il ciclo: modello, quindi misura, quindi misura di nuovo, quindi aggiorna il modello. Questo è fondamentalmente tutto.
Ecco il segreto dietro ogni gadget che tu abbia mai visto. Non importa quanto sia elegante l’involucro, la misurazione si riduce a due antiche strategie. Confronto o conteggio. Non è cambiato da quando Noè costruì un’arca usando i cubiti (una lunghezza dell’avambraccio). Solo leggermente raffinato.
L’arte del confronto
La lunghezza è il punto di partenza ovvio. Prendi una matita. Prendi un righello. Mettili in fila. Confronto. Sono 18,7 centimetili. (Gli scienziati amano la metrica.) Stai solo controllando quante unità di righello si adattano all’unità di matita.
Aspetta-come ti fidi del sovrano? Quella cosa e ‘ accurata? Questo è il problema degli standard, che ignoreremo. Per ora, supponiamo che il sovrano dica la verità.
A volte il confronto diventa assurdo. Nel 1958, gli studenti del MIT volevano la lunghezza di un ponte sul fiume Charles. Non hanno usato misure a nastro. Hanno usato un ragazzo. Oliver Smoot era basso. Si e ‘ sdraiato. Hanno segnato la sua posizione in gesso. L’hanno spostato. Ripetere. Il ponte era lungo 364,4 Smoots, ” più o meno un orecchio.”
Puoi inventartelo? Probabilmente no. Smoot alla fine diresse l’Organizzazione internazionale per la standardizzazione più tardi nella vita. Nel 2015 era più corto di tre centimetri di quanto affermasse. La fisica funziona anche su ingegneri in pensione.
Ma soprattutto, il confronto si basa sulla distanza. Analog devices mappa i valori sullo spazio fisico.
Guarda la meridiana.
Gli antichi greci li amavano. Una lama triangolare (gnomone) proietta un’ombra. L’ombra si muove mentre il sole traccia il cielo. Come si legge il tempo? Misura quanto è lontana l’ombra dal punto di mezzogiorno. La distanza ti dice che sono le 2: 10 pm.
L’ombra si sposta a seconda di dove ti trovi. Spostare il quadrante da Sparta ad Atene? Sei in ritardo. La geografia rompe la matematica se non ne tieni conto.
Guarda quel vecchio orologio IBM. “IBM” significava macchine commerciali internazionali all’epoca. Non solo computer. Guarda le mani. Dove sono? La posizione della mano è una distanza percorsa attorno a un cerchio. Distanza = Tempo.
Misuratori di forza? Stesso trucco. Una molla all’interno si estende quando si appende un peso su di esso. La legge di Hooke fondamentalmente. Più tratto, più forza. Il puntatore si sposta su un quadrante. Di nuovo-distanza.
Che dire di una bilancia? Metti l’oro sconosciuto su un lato. Aggiungi pesi standard sull’altro fino a quando non si bilancia. Nessuna molla coinvolta. Solo confronto diretto. Questo è il modo in cui i saggi hanno lavorato nella corsa all’oro. Perché?
Le molle misurano il peso. Il peso è solo la gravità che tira sulla massa. La gravità non è uniforme. La tua massa è la stessa a New York come a Parigi,ma il tuo peso non lo è. Una bilancia annulla la gravità. La gravità locale tira su entrambi i lati allo stesso modo. E ‘anche piu’ difficile imbrogliare.
Quasi tutti gli strumenti analogici funzionano in questo modo. Convertono una variabile in uno spostamento fisico. Quindi si confronta tale spostamento con un riferimento noto.
La gioia di contare #
Dinamica della popolazione? Gioco diverso. I conigli mangiano il trifoglio. I lupi mangiano conigli. Rimuovere i lupi. La popolazione di conigli esplode. Quindi le risorse si esauriscono. Boom. Crash.
Non stai confrontando le distanze qui. Stai contando i conigli.
Valori discreti. Questo è il turno. Un vecchio timer digitale fa clic. 1. 2. 3. Non spazza. Salta.
Il digitale viene dalle cifre. Dito. Prima dei computer, il conteggio era analogico. Ora?
L’elettronica si nasconde dietro il binario. 0s e 1s. Ma è ancora solo contando gli stati. Quel timer a cricchetto del laboratorio? Digitale. Scatta attraverso passaggi discreti. Anche se sembra meccanico, funziona logicamente.
Vuoi misurare la tensione? La tensione non è una singola cosa; è una differenza di potenziale. Punto A contro Punto B. Hai bisogno di un riferimento. Una linea di base.
Confronto di nuovo.
Costruire un circuito semplice. Utilizzare una batteria da 9V. Collegalo a una catena di resistori identici. La legge di Ohm impone che se sono identici, cadono esattamente 1 volt.
Ora collegare la fonte di tensione mistero. Accendi i LED in sequenza. Ogni LED si accende quando viene superata la soglia. Una luce accesa? Circa 1-2 volt. Due luci? Piu.
Contare i LED accesi. Moltiplicare per la caduta di tensione per segmento. Fatto.
Se tre dei quattro LED si accendono, hai (3/4 di 9V). Sei e tre quarti volt. Uscita digitale derivata dal conteggio dei passi discreti. I voltmetri reali sono più veloci dei LED blinky, ovviamente, ma il principio è identico.
Una volta che hai quel segnale di tensione? Puoi misurare qualsiasi altra cosa.
Temperatura? Utilizzare un termistore. È un semiconduttore che resiste all’elettricità in modo diverso a diversi riscaldamenti. Eseguire una corrente attraverso di essa. Misurare la caduta di tensione risultante. La variazione di resistenza si traduce in una variazione di tensione. La tensione si traduce in un numero digitale.
Anidride carbonica? Campi magnetici? Pressione? Tutti vengono schiacciati in resistenza elettrica o capacità. Quindi contiamo gli elettroni o confrontiamo le tensioni.
Sembra complesso. La scienza moderna sembra scatole nere che ronzano nelle sale server.
Ma guarda più da vicino.
Stai solo contando. Oppure stai solo confrontando un nuovo valore con uno vecchio.
Noè misurò la sua barca con un avambraccio. Misuriamo gli stati quantistici con qubit superconduttori. La distanza è lunga, sì. Il metodo è lo stesso.
O lo è?
Forse siamo diventati davvero bravi a essere piccoli.
