Як древні шумери вплинули значення швидкості світла, і чому Велика Французька Революція не змогла їм завадити

Протягом статей про рекурсивно обчислювану Всесвіт "Все є біт" і "Здається, ми близькі до розуміння фундаментальної теорії фізики, і вона прекрасна" я хотів би поговорити про умовність нашого розуміння простору та часу.

З підручників фізики нам відомо, що швидкість світла у вакуумі дорівнює 299792458 метрів за секунду. Ви ніколи не замислювалися, чому така фундаментальна фізична константа, як швидкість світла, має таке дивне значення? Чому вона дорівнює приблизно трьом сотням мільйонів метрів за секунду? Чому не більше і не менше? У чому сакральний зміст цього числа?

Жодного сакрального сенсу в цьому числі, ясна річ, немає. Вся річ у тому, що ми отримуємо таке безглузде значення швидкості світла виключно через повну безглуздість обраної нами системи заходів. Адже що таке секунда та метр?

Що таке мить?

Щоб зрозуміти це, уявімо собі інопланетянина, який вивчає людську цивілізацію. Він дізнається, що з виміру часу ми використовуємо одиниці, рівні часу повного обертання нашої планети навколо своєї осі, поділене деяке число. Якщо поділимо час повного звернення Землі на двадцять чотири, то отримаємо годину. Якщо годину ми поділимо на шістдесят, то матимемо хвилину. А якщо хвилину ми поділимо на шістдесят, то отримаємо секунду. І при цьому саме секунда обрана як основна одиниця в міжнародній системі стандартних одиниць. Що за нісенітниця? - подумає інопланетянин.

Гаразд, взяти астрономічну добу як основу - абсолютно логічно.Це природний для будь-якої живої істоти на планеті цикл зміни дня та ночі. Крім того, точно відміряти добу не складає ніякої праці - доба приблизно дорівнює часу, що проходить між двома світанками або двома заходами сонця. Але навіщо, чорт забирай, ми ділимо їх спочатку на двадцять чотири, а потім двічі на шістдесят? Чому саме на двадцять чотири та на шістдесят, а не на десять та дванадцять? Винні в цьому, хоч як це парадоксально, шумери.

Стародавні жителі Месопотамії використовували для рахунку п'ятіркову та дванадцяткову системи числення, які при спільному використанні породили особливу шістдесяткову систему числення. Саме від них нам у спадок дісталися триста шістдесят градусів у колі, шістдесят хвилин за годину та шістдесят секунд за хвилину. Добу незручно було ділити на шістдесят частин, тому вони обмежилися лише дванадцятьма. Але надалі виявилося, що, як би комічно це не звучало, дванадцятої години на добу обмаль для повсякденних потреб і вони розбили щогодини ще на дві.

Ще більше наш інопланетянин-науковець здивувався б, якби подивився у словнику на значення самих слів хвилина й секунда. Слово "хвилина" латиною означає "маленька", що ріднить його зі словом "мініатюрна". А слово "секунда" перекладається як "друга" - саме тому в англійській мові слова second "секунда" і second "друга/друга" - це те саме слово. Але чому ж друга? Справа в тому, що спочатку хвилина називалася pars minuta prima, тобто перша маленька частина години, а секунда - pars minuta secunda, тобто друга маленька частина години. З часом pars minuta prima скоротилося до minuta, а pars minuta secunda до secunda.

Секунди та хвилини - не єдині "випадкові" одиниці виміру часу. Наприклад, ми з раннього дитинства настільки звикли розбивати рік на місяці, а послідовність днів на тижні, що вважаємо це само собою зрозумілим і не замислюємося, що в природі не існує вівторків і лютих. Серед одиниць, якими ми вимірюємо час, є дві відносно природні астрономічні величини. Це доба та рік. Доба, як я вже казав, це час обороту нашої планети навколо своєї осі, що з поверхні самої планети ми відчуваємо як зміну дня та ночі. А рік - це час обороту Землі навколо Сонця, що з поверхні планети ми відчуваємо як зміну пір року. Доба стародавніми людьми вимірювалася як час між двома світанками, а рік як кількість діб, що минає до того, як Сонце знову постає в тому самому місці горизонту, що й раніше.

Але для зручності людям потрібні були набагато менші, ніж рік, але більші за добу, одиниці часу. На допомогу прийшов Місяць - вона робить повний оберт навколо Землі приблизно за двадцять дев'ять з половиною доби. Цей час і назвали місяцем - саме тому в російській слові місяць позначає як частину року, так і фазу Місяця, а в англійській мові Month утворено від кореня Moon. Але як розбити рік на місяці? У році приблизно 365 діб, а в місячному місяці приблизно двадцять дев'ять із половиною доби, і триста шістдесят п'ять не ділиться на двадцять дев'ять без залишку. У різних цивілізаціях давнини до вирішення цієї проблеми підходили по-різному, але у звичних нам юліанському (створеному при Юлії Цезарі) та григоріанському (створеному на основі юліанського за папи Григорія XIII) календарів рік розділений на дванадцять місяців.Декому з них дісталося по тридцять днів, а іншим по тридцять одному дню, і для балансу один із них, лютий, недовантажили і зробили рівним двадцяти восьми дням. Але на цьому пригоди лютого не закінчилися. Так як у році не рівно триста шістдесят п'ять діб, а приблизно триста шістдесят п'ять з чвертю, то за чотири роки накопичуються зайву добу розбіжності між календарем і реальністю. Вольовим рішенням цю зайву добу було вирішено включити у лютий кожного четвертого року, якому раніше при розподілі недодали кілька днів. Такі календарні роки назвали високими.

Але це ще не все. Місяці виявилися теж надто довгими, людям потрібна була ще менша одиниця виміру послідовної кількості діб. На допомогу знову прийшов Місяць. За один місячний місяць Місяць видно в чотирьох різних фазах: від майже невидимого місяця він росте до повного місяця, а потім зменшується назад, двічі перебуваючи в стані, коли видно лише ліву або праву половину Місяця. Якщо двадцять дев'ять діб на місяці розділити на чотири фази Місяця, то вийде, що кожна фаза триває приблизно сім днів. Такий легко вимірний по Місяцю відрізок часу виявився дуже зручним в організацію циклічно повторюваних робіт і ритуалів - вже у Стародавньому Єгипті релігійні обряди проводилися періодами сім днів. У Стародавньому Римі семиденний тиждень було перейнято від єгиптян під час календарної реформи Гая Юлія Цезаря і запровадження юліанського календаря, після чого поширилася на решту володінь Римської Імперії.Остаточно семиденний тиждень став стандартом завдяки поширенню християнства та Біблії, у Старому Завіті якої семиденний цикл релігійних ритуалів був закріплений у вигляді кількості днів, витрачених Богом на створення світу.

У історії проводилося кілька спроб запровадити новий календар. Після перемоги Великої Французької Революції революціонери, які прийшли до влади, вирішили провести дехристиянізацію календаря і ввели так званий французький республіканський календар. У ньому рік ділився на дванадцять місяців по тридцять днів у кожному та додаткові п'ять чи шість днів передноворічних свят. Місяць своєю чергою ділився не так на тижні, але в три декади по десять днів кожна. Літочислення велося від року перемоги революції. Проіснував цей календар недовго - Наполеон Бонапарт, який прийшов до влади в ході перевороту вісімнадцятого брюмера (другого місяця осені) восьмого року, незабаром скасував цей у всіх сенсах революційний календар.

Крім того, за часів Першої Французької Республіки відбувалися спроби реформувати системи вимірювання часу в добі і вводилася система десяткового часу, в якій у добу було десять годин, годин десять хвилин, а хвилин десять секунд. Однак ця система не здобула популярності, оскільки виявилася вкрай незручною в порівнянні з класичним годинником - нові величини були занадто великими, щоб міряти ними проміжки часу, які витрачають люди на якісь дрібні справи.

Що таке метр?

Що ж, із секундою розібралися. Тепер зробимо те саме і з метром. Це неймовірно, але історія метра також тісно пов'язана із Великою Французькою Революцією. Але спочатку давайте перенесемося в середні віки і дізнаємося, чим тоді вимірювали довжину.На той час не існувало стандартних заходів довжини. Більше того, у кожному місті був свій набір особливих одиниць виміру довжини та ваги. До речі, саме тому, що золото та срібло у середньовіччі служило грошима та вимірювалося на вагу, майже всі сучасні назви грошових одиниць, такі як фунт, шекель, гривня і навіть рубль (відрубана чверть гривні) спочатку були назвами заходів ваги, а не цінності.

Але давайте все ж таки повернемося до метра. Як я вже сказав, у середньовіччі не існувало стандартних одиниць виміру відстані, і в кожній юрисдикції використовувалися власні винаходи. Але ідея універсальної міри (а слово metro латиною і означає "захід"), що залежить лише від законів природи, а не від наказу государів, витала в повітрі і лише політичні причини заважали її появі. Перше вдале визначення метру дав англійський священик і філософ Джон Вілкінс - він визначив метр як довжину маятника, напівперіод коливань якого дорівнював одній секунді. Таким чином, значення універсальної одиниці виміру відстані виявилося на основі шумерської одиниці виміру часу.

Звичайно, з визначенням Уїлкінса виникли проблеми, так як на різних широтах довжина маятника з напівперіодом коливань в одну секунду виявлялася трішки різною. Тому остаточне визначення метру було дано академією наук Першої Французької Республіки, яка визначила метр як одну сорокамільйонну довжини Паризького меридіана - це значення приблизно дорівнювало первісному метру Вілкінса, але задавалося з набагато більшою точністю. Французькі вчені виміряли відстань від Дюнкерка до Барселони - ці два міста лежать на Паризькому меридіані.Знаючи різницю географічних координат цих міст вони розрахували точне значення метра і виплавили з латуні еталонний зразок, копії яких вони розіслали по всьому світу, а оригінал залишили зберігатися в паризькій палаті мір і ваг.

Абсолютні одиниці

Таким чином, обидві наші основні одиниці виміру простору і часу - секунда і виведений з її допомогою метр - є абсолютно випадковими величинами, на значення яких вплинули фізичні характеристики нашої планети і система числення, що використовувалася древніми шумерами. Але чи існує ідеальна система вимірювальних одиниць, позбавлена ​​таких недоліків?

Теоретично існує. Вона називається планківськими одиницями - на честь знаменитого німецького фізика Макса Планка, що запропонував її використання. В основі планківської системи одиниць лежать чотири фундаментальні константи фізики - швидкість світла c, постійна Дірака ℏ, гравітаційна постійна G та постійна Больцмана k. Значення чотирьох констант прийнято за одиницю. Виходить система одиниць, у якій:

• Планківська маса є верхньою межею для мас елементарних частинок і нижньою межею для мас чорних дірок
• Планковська довжина є мінімально можливим квантом простору – хоча дискретність простору не підтверджена і є лише гіпотезою
• Планковський час є часом, за який світло долає планківську довжину, тобто тим самим швидкоплинним "моментом", тиком Всесвітнього комп'ютера

І хоча подібна система вкрай незручна для вирішення рівнянь теоретичної фізики, вона дає нам краще розуміння істинної природи простору-часу.

Післямова

Ми настільки звикли до знайомих нам величин і інструментів, що навіть не замислюємося, що використовуємо всього лише один з безлічі можливих і часто рівнозначних варіантів.

Ми звикли писати зліва направо, але так роблять далеко не все – арабська мова та іврит записуються праворуч наліво, а в багатьох азіатських мовах слова з ієрогліфів у багатьох випадках пишуть зверху донизу. Ми звикли до обмеженого набору звуків у мові, але, наприклад, у деяких африканських мовах люди використовують цокання як одну з приголосних, а китайці використовують тональність голосу зміни значення слів. Зараз усі переважно використовують десяткову систему числення, але це не завжди і не у всіх було так - шумери використовували шістдесятковий рахунок, а індіанці майя користувалися двадцятеричною системою, римляни користувалися десятковою, але непозиційною системою числення. І тиждень не скрізь однаковий - у більшості країн робочий тиждень триває з понеділка по п'ятницю, але в арабських країнах та Ізраїлі робочий тиждень починається у неділю, а закінчується у четвер. Навіть із першим днем ​​тижня все не однозначно – у нас першим днем ​​тижня вважають понеділок, а в Америці, Ізраїлі та арабських країнах неділю. І навіть літочислення не скрізь ведеться однаково - у більшій частині світу використовується григоріанський християнський календар, що веде рахунок від Різдва Христового, але наприклад в Ізраїлі офіційний робітничо-святковий календар - іудейський, в якому точка відліку відповідає 7 жовтня 3761 до н. е. за григоріанським календарем, а в багатьох країнах Південно-Східної Азії використовують календар, що веде рахунок років від народження Будди.

І хоча ми з дитинства звикли вважати час секундами, хвилинами, годинами, тижнями та місяцями, а відстань метрами – слід розуміти, що всі ці величини насправді абсолютно умовні, а простір і час не поділяються на жодні штучно задані проміжки, і навіть самі поняття простору та часу якимось змістом наділяємо лише ми самі. Адже всі наші моделі пізнання та виміру світу існують лише всередині нашої голови та повністю ілюзорні.

P.S.: більше цікавих постів та відео про філософію, буддизм та математику ви можете знайти у моєму телеграм-каналі. Туди я часто викладаю те, що через тематичні обмеження не можу публікувати на Хабрі.