科学研究中所有精密的测量设备都依赖于两种石器时代的技术

# 科学中所有花哨的测量设备都依赖两种石器时代的技术 来源：https://www.wired.com/story/story/all-measuring-devices-run-on-two-stone-age-techniques/ 人类是会测量事物的动物。叫我们*Homo mensura*（测量之人）吧。我们有一种量化的冲动，几千年来一直在发明新的测量方法。任何你能想到的东西，都有对应的测量设备——从血压计到荧光分光光度计。当然，这一点在科学领域尤为突出。嗯，科学和棒球领域。 物理学家建立模型来解释世界如何运作。这可能是一个方程，比如理想气体定律：PV = nRT。这个方程告诉我们，例如，如果气体的温度（T）翻倍，在其他条件不变的情况下，其气压（P）也会翻倍。但要检验模型是否合理，或者至少是否有用，我们需要获取一些真实世界的数值，并检查方程是否成立。建模与测量，测量与建模——这就是科学的核心。 当然，今天我们有一些非常精密的仪器来做这件事。但我告诉你一个小秘密：尽管我们有这么多酷炫的工具，测量归根结底还是要么比较，要么计数。从这个意义上说，从诺亚按照肘尺（从肘部到指尖的前臂长度）的规格建造方舟以来，它并没有太大变化。让我来演示一下。 ## 测量长度 我先从一个每个人都曾用过的测量说起：长度或距离。这看起来很简单，对吧？想知道一支铅笔的长度，你把它放在一把尺子旁边。看，是18.7厘米。（是的，在科学中我们用的是尺子的*那一边*。） 图片可能包含图表、测量值和黑板 照片：Rhett Allain 你在这里做的是并排比较铅笔的长度和尺子的长度。（当然，这又引出了另一个问题：你怎么知道你在网上买的那把尺子是否准确？这是另一个关于标准的讨论了。我们改天再谈。） 最疯狂的比较测量发生在1958年，当时一群麻省理工学院的本科生试图测量查尔斯河上一座桥的长度。他们让小组中最矮的成员Oliver Smoot（身高5英尺7英寸，即170厘米）反复躺下，用粉笔在人行道上做标记，一直躺到对岸，发现这座桥长364.4个“斯穆特”，“耳朵部位可忽略不计”。 （这种事编都编不出来：Smoot后来成为了美国国家标准协会的负责人，后来又成为了国际标准化组织的负责人。2015年，“斯穆特”的定义被修订，因为照片证据显示，他在75岁时身高已经减少了3厘米。） 总之，通过比较来测量长度或距离是模拟设备中最常用的方法。 ## 其他距离测量 例如，时间呢？最古老的计时装置之一是日晷，其常见形式是由古希腊人发明的。它有一个三角形的叶片，称为*gnomon*（指针），以及一个带有小时刻度的圆形盘面。 图片可能包含日晷、草地、草坪、割草机、植物和工具 照片：Rhett Allain 当太阳在天空中移动时，指针投射的阴影也会移动。但你如何将阴影转化为时间呢？你猜对了——你测量阴影从正午位置移动的距离。上面的日晷显示的是下午2:10。 （有趣的脚注：小时标签在不同城市必须刻得不同，因为阴影会随纬度和经度变化。如果你从斯巴达搬到雅典，并随身带着你的日晷，你去吕克昂学园上课就会迟到五分钟。） 这是另一个你可能见过的计时装置，它以不同的方式显示相同的时间，2:10： 图片可能包含钟表和模拟钟 照片：Rhett Allain 我喜欢这个老钟。有趣的是，记住“IBM”代表国际商业机器公司，而它们不仅仅是计算机。无论如何，你可以从指针的位置读取时间。没错，这就是一种距离测量——信息通过指针在表盘上移动的距离来传达。但是等等！还有更多！这里还有一些使用距离测量的东西： 图片可能包含仪表 左上角顺时针依次是：古董邮政秤、模拟测力计、测量电流的电流表、三梁天平、指南针。 照片：Rhett Allain 例如，上面的那个测力计，内部有一个校准过的弹簧。当你把重物挂在上面时，弹簧会按比例拉伸以施加的力，拉伸的长度表示施加了多少牛顿的拉力。结果以一个指针在刻度盘上的距离显示出来。 有时我们直接进行比较，而不进行距离测量。这是一个天平。你把未知质量的物体放在一边，然后向另一边添加已知质量的砝码，直到两边平衡。这就是淘金热期间，化验员测量黄金的方式。 图片可能包含天平和洗涤槽 照片：Rhett Allain 为什么他们不用更快的弹簧秤呢？因为弹簧秤，就像你浴室里的秤一样，测量的是作用在物体上的引力——这就是“重量”的真正含义。质量是一个不同的概念；它是一个物体中物理物质的数量。由于地球的引力场在世界各地并不均匀，同一物体的重量测量值会因地而异。但是天平无论在哪里都会给出相同的质量测量值，因为当地的重力会同等影响两边。而且，用天平作弊也可能更难。 但除了少数类似的例外，几乎所有模拟设备都使用比较和长度测量来获得数值。 ## 计数与数字仪器 如果你想模拟狼和兔子的种群数量呢？你可以证明，如果没有狼，兔子的数量会指数增长，直到达到资源限制。显然，现在你是在计数，而不是比较。 这是一个旧实验室计时器，它按十分之一秒计数。注意到它与时钟有什么不同吗？它不像扫秒针那样连续运动——它只能取某些离散值。这就是数字仪器的关键特性：就像用手指（即*数字*）计数一样！ 图片可能包含电子屏幕、计算机硬件、硬件监视器、信用卡和文字 照片：Rhett Allain 这可能一开始会让人困惑；我们通常认为*数字*与*电子*是同义词。但使电子系统成为数字系统的是，信息只能以离散值表示——二进制数字0和1。所以，是的，尽管上面的计时器是通过棘轮物理齿轮运作的，但它也是一个数字设备。 或者考虑一个数字电压表，比如下面的这个。 图片可能包含计算机硬件、电子硬件、硬件监视器和屏幕 照片：Rhett Allain 如何获得数字电压读数？我将演示一种基础方法。由于电压是两点之间的电位*差*，不能在一个点绝对测量；我们需要一个参考电压作为基准。（比较！） 在我下面拼凑的电压表中，我从一个9伏电池开始。然后我将这个参考电压连接到九个串联的等值电阻上。根据欧姆定律和电压回路规则，每个电阻将有1伏的电位差。 现在我可以使用一个未知电压以及9伏电池。如果我的四个LED中有三个亮起，那么我们有 (3/4) x 9 = 6.75 伏。这样就通过*计数*灯的数量得到了未知电压的数字值。当然，电压表实际上并不使用闪烁的灯，但你明白这个意思。 照片：Rhett Allain 一旦我们可以测量电压，我们就可以获得许多其他事物的数字测量值，比如温度、磁场强度，甚至二氧化碳水平。关键在于找到一种电气特性取决于其环境的物质。例如，热敏电阻是一种半导体，其电阻会随温度精确且可预测地变化。你只需让电流通过它并测量电压，就能得到温度读数。 看，谁都可以做科学！归根结底，要么是计数，要么是比较——或者两者兼而有之。