Perché gli astronomi non usano i contatori per misurare le distanze astronomiche?

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In astronomia le distanze sono generalmente espresse in unità non metriche come: anni luce, unità astronomiche (AU), parsecs, ecc. Perché non usano metri (o multipli di esse) per misurare le distanze, poiché queste sono le unità SI per distanza? Poiché il misuratore è già utilizzato nella fisica delle particelle per misurare la dimensione degli atomi, perché non potrebbe essere utilizzato in astrofisica per misurare le grandi distanze nell'Universo?

Per esempio:

L'ISS orbita a circa 400 km sopra la Terra.
Il diametro del Sole è di 1,39 Gm (gigametri).
La distanza dalla galassia di Andromeda è di 23 Zm (zettametri).
Nel suo punto più lontano, Plutone è 5,83 Tm (terametri) dal Sole.

Modifica: alcuni hanno risposto che i contatori sono troppo piccoli e quindi non intuitivi per misurare grandi distanze, tuttavia ci sono molte situazioni in cui questo non è un problema, ad esempio:

I byte vengono utilizzati per misurare enormi quantità di dati, ad esempio terabyte (1e + 12) o petabyte (1e + 15)
L'energia rilasciata da grandi esplosioni è solitamente espressa in megatoni, che si basa su grammi (1e + 12)
L'unità SI Hertz è spesso espressa in gigahertz (1e + 9) o terahertz (1e + 12) per misurare le frequenze di rete o le velocità di clock del processore.

Se il motivo principale per cui non si usano i contatori è storico, è ragionevole aspettarsi che le unità SI diventino lo standard in astronomia, come la maggior parte del mondo passato dalle unità native alle unità SI per le misurazioni quotidiane?

distances units

— Arne
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Perché non è utile farlo.

— eyeballfrog,

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Cosa pensi che siano un Angstrom o un Fermi? O un fienile? I fisici non sempre specificano cose neanche in SI e per lo stesso motivo.

— Rob Jeffries,

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Per lo stesso motivo per cui acquisti riso in KG, non per chicco.

— dotancohen,

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Perché vuoi che le unità siano correlate agli oggetti misurati. Se ti dicessi che sono alto Plank, ti aiuterebbe a immaginare quanto sono alto?

1.13 * 10^{35}

$1.13*10^{35}$

— Dmitry Grigoryev il

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@MartinArgerami Vero, ma se qualcuno mi dice che sono alti 57 piedi, vedrò immediatamente un errore (e penso che un americano non mi crederà se dico che sono alto 18 metri). Con le lunghezze della plancia, anche un errore di un ordine di grandezza potrebbe non essere ovvio.

— Dmitry Grigoryev il

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Oltre alla risposta fornita da @ HDE226868, ci sono ragioni storiche. Prima dell'avvento dell'uso del radar per trovare le distanze nel sistema solare, abbiamo dovuto usare altri metodi intelligenti per trovare la distanza dalla Terra al sole; per esempio, misurando il transito di Venere attraverso la superficie del sole . Questi metodi non sono così precisi come quelli disponibili oggi, quindi ha senso specificare le distanze, che sono tutte basate sulla misurazione delle parallasse, in termini di incerta, ma fissa, distanza Terra-Sole. In questo modo, se le misurazioni future cambiano il valore di conversione da AU a metri, non è necessario modificare altrettanti documenti e libri di testo.

Per non parlare del fatto che tali incertezze di calibrazione introducono errori correlati in un'analisi che non sono definibili con campioni di grandi dimensioni.

Non posso parlare autorevolmente della storia attuale, ma le misurazioni del sistema solare sono state inizialmente tutte fatte in termini di distanza Terra / sole. Ad esempio, una piccola geometria mostra che è abbastanza semplice ridurre le dimensioni dell'orbita di Venere e Mercurio in UA dal loro massimo allungamento solare. Non so come abbiano elaborato i raggi orbitali di Marte, ecc., Ma sono stati quasi certamente fatti in UA molto prima che l'UA fosse conosciuta, e tutto ciò prima che esistesse il sistema MKS, per non parlare del diventare standardizzato.

Per le stelle, la base di quella che è conosciuta come la "scala della distanza cosmologica" (ovvero "tutte le misure della distanza" in astronomia) si basa sulla misurazione dell'angolo di parallasse:

abbronzatura π_{un' n g l e} = \frac{1 UN U}{D} .

$\tan \pi_{\mathrm{angle}} = \frac{1 AU}{D}.$ Misurare

D

$D$ in "parsecs" significa impostare l'equazione in modo tale che l'angolo misurato in secondi d'arco si adatti all'approssimazione dell'angolo piccolo. Cioè:

\frac{D}{1 p un' r S e c} = \frac{\frac{π}{180 \times 60 \times 60}}{abbronzatura (π_{un' n g l e} \frac{π r un' d io un' n S}{180 \times 60 \times 60 un' r c S e c})} .

$\frac{D}{1\, \mathrm{parsec}} = \frac{\frac{\pi}{180\times60\times60}}{\tan\left(\pi_{\mathrm{angle}} \frac{\pi\, \mathrm{radians}}{180\times60\times60 \, \mathrm{arcsec}}\right)}.$ In altre parole,

1 parsec = \frac{180 \times 3600}{π} AU

$1\operatorname{parsec} = \frac{180\times 3600}{\pi} \operatorname{AU}$ .

Gli astronomi hanno anche una marcata preferenza per il cugino stretto delle unità mks / SI, noto come cgs . Per quanto ne so, ciò è dovuto all'influenza degli spettroscopisti a cui le "unità gaussiane" piacevano per l'elettromagnetismo perché impostava la costante di Coulomb su 1, semplificando i calcoli.

— Lago Sean
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Direi che questa è la risposta corretta, mentre quella fornita da HDE 226868 non lo è. In termini di comprensibilità umana, misurare ad esempio il sistema solare è AU non è più o meno intuitivo che misurarlo in gigametri (o forse terametri; 1 AU ≈ 150 Gm = 0,15 Tm). Tuttavia, le unità non metriche persistono ancora a causa dell'inerzia storica e il fatto che erano (e talvolta lo sono ancora) più convenienti nei casi in cui una certa distanza può essere misurata in alcune unità particolari in modo più accurato rispetto alla lunghezza di quelle stesse unità essere misure in metri.

— Ilmari Karonen,

3

Mi piace questa risposta. Potresti estenderlo menzionando che la misura preferita della distanza stellare è il parsec, poiché può essere calcolato esattamente in termini di UA, (648000 UA = \ pi parsec)

— James K

3

Un altro parallelo storico a questa situazione viene dalla chimica, dove esiste una forte preferenza per parlare delle "talpe" di una sostanza piuttosto che di un certo numero di molecole di quella sostanza. Non è solo che il numero di moli ha meno probabilità di richiedere la notazione scientifica per esprimere; è anche che per un tempo sorprendentemente lungo (fino all'inizio del 20 ° secolo), i chimici non sapevano davvero quante molecole c'erano in una talpa.

— Michael Seifert,

3

In generale, ai fisici non piacciono i numeri grezzi. A loro piace davvero esprimere le quantità come numeri senza dimensioni che esprimono alcune proprietà di un sistema. Rende più facile ragionare sulle cose. Quindi, se stai considerando un sistema planetario, lavorare in UA (cioè esprimere le distanze come un multiplo dell'orbita terrestre) è una cosa molto ragionevole da fare.

— drxzcl,

1

Gli astronomi non usano seriamente pi_angle per l'angolo di parallasse, vero? Sembra potenzialmente confuso =).

— Chris Chudzicki,

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Vorrei suggerire che rende anche il materiale più raggiungibile per la mente umana.

Non riesco proprio a lavorare con numeri follemente grandi o piccoli. Non trasmettono alcun significato.

Ma 1 UA è facile, anche se non so esattamente cosa sia in metri, so cosa significa ed è una scala conveniente per la mente.

Allo stesso modo quando parliamo di distanze stellari, a che serve la distanza in metri (o AU)? Ha più senso lavorare con anni luce. Ancora una volta la maggior parte delle persone sa cosa significa anche se non sa esattamente cosa sia in metri.

E quando diventiamo cosmici stai anche parlando di tempi colossali in passato, quindi gli anni luce trasmettono qui un doppio significato. Se ti dicessi la distanza in metri, questo non ti dirà all'istante quanto è indietro nel tempo.

Quindi penso che sia una questione di convenienza e comprensione.

— StephenG
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E i byte? Nessuno sembra avere problemi a utilizzare i byte per numeri estremamente grandi, sia che si tratti di KB, MB, GB, TB, PB, ecc. Nessuno pensa che queste unità non siano intuitive o abbiamo bisogno di un'unità completamente diversa una volta che la dimensione supera un certo limite. Non sono sicuro del perché questo sarebbe diverso per quanto riguarda il misuratore e le misurazioni di grandi dimensioni.

— Arne,

2

La mia opinione è che KB, MB, TB e così via non siano affatto compresi dalla maggior parte delle persone. Che cos'è un byte? Che cos'è una tubercolosi? Per la maggior parte sono poco più che etichette di marketing. Penso che le uniche persone che le capiscano siano professionisti che devono farlo. E per un tipo di computer (colpevole) queste misurazioni sono piuttosto semplici. YMMV.

— StephenG,

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@Arne: Come specialista in informatica, vorrei sottolineare che noi (informatici) usiamo un numero non-SI di byte per parlare di memoria. KB, MB, GB, TB, PB, ecc. Non sono unità SI. Ad esempio, 1 MB = 1024 KB, non 1000 come in un sistema SI. Usiamo la base 2, non la base 10.

— sharur

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@pipe KiB, MiB, ... sono per definizione base-2. KB, MB, ... sono ambigui e possono usare sia base-2 che base-10 nell'uso comune.

— un CVn del

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@pipe: al contrario, la base 2 è integrata nell'hardware al suo livello più elementare. Che cosa è la frode borderline sono gli esperti di marketing che usano poteri di 10 per esagerare la dimensione della loro memoria.

— jamesqf

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Insieme alle altre risposte, c'è un'altra ragione, in particolare quando si misurano le distanze da altre galassie.

Quando affermano la distanza da altre galassie, gli astronomi raramente indicano mai la distanza in qualsiasi unità di lunghezza, tendono ad usare i redshift ( z ). Questa unità non è in realtà un'unità di lunghezza (è un rapporto senza dimensioni di lunghezze d'onda), né si converte linearmente in una distanza ( z = 2 non è il doppio di z = 1 ), né esiste una conversione esclusa tra redshift e distanza (dipende da quale modello dell'universo assumi).

Redshift viene utilizzato perché può essere misurato con precisione. Ci sono caratteristiche negli spettri di una stella o di una galassia che conosciamo la lunghezza d'onda esatta in cui sono emessi e quindi il redshift può essere calcolato esattamente con:

z = \frac{λ_{o B S}}{λ_{e m}} - 1

$z=\frac{\lambda_{obs}}{\lambda_{em}}-1$

Questa è una proprietà osservata, esatta (all'interno di un errore sperimentale). Convertirlo in una distanza è confuso: stai parlando della distanza in cui l'oggetto è lontano da noi istantaneamente ora , o istantaneamente quando il fotone che vedi è stato emesso o la distanza percorsa dal fotone che vedi? Desideri prendere in considerazione il movimento locale e l'espansione di Hubble (universo)? Aggiungete a questo la forma dell'universo, il tasso di espansione dell'universo, il tasso di cambiamento dell'espansione dell'universo (energia oscura / costanti di Hubble / altri effetti) e vedete che qualsiasi conversione a una distanza effettiva è problematico e richiederebbe di definire esattamente quale tipo di conversione e con quali ipotesi. È più facile rimanere con il redshift ben definito e facile da misurare.

Un buon lavoro (a livello di laurea) che riassume tutti i diversi tipi di distanze cosmologiche e i loro calcoli è Hogg 2000 .

— Jonathan Twite
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Jonathan: in Hogg Introduzione, è corretta che tutte le distanze siano misurate lungo una linea radiale nulla? La lente gravitazionale mi è venuta in mente ... Nel senso che ovviamente un fotone mi termina come osservatore, ma mi aspetterei (in linea di principio, non in senso assoluto ... La differenza può essere trascurabile) che fa dopo aver "curvato ". Spero sia chiaro cosa intendo.

— Alchimista,

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Un altro motivo non ancora menzionato:

Non c'erano prefissi SI utilizzabili per tali distanze.

Se si desidera utilizzare un'unità, è necessario qualcosa che consenta di esprimere una quantità specifica senza troppi zero iniziali o finali. Non esprimo l'altezza umana come 1 670 000 µm o la dimensione di un batterio come 0,000 02 m.

Se guardi la tabella dei prefissi vedi che la giga e la tera sono state definite la prima volta nel 1960. Ma la definizione non include l'uso e quelle definizioni erano esattamente esotiche come gli ottilioni ; sicuro esiste come definizione, ma nessuno lo usa o sa della sua esistenza. Durante gli studi accademici in fisica negli anni '90 (!) ~~Non era ancora ampiamente conosciuto, 30 anni dopo l'introduzione. Tuttavia molti scienziati non usano affatto giga o tera.~~ Suggerimento di gerrit: i fisici hanno usato le frequenze con il prefisso giga- / tera-, l'ho dimenticato.

1 AU è quindi 150 gigameter o 0,15 terameter. Se stai usando anni luce, 1 anno luce è già 9500 terametro che non è un'unità conveniente. Trent'anni dopo hanno finalmente introdotto alcuni prefissi metrici utilizzabili, ma devo ancora trovare qualcuno che usi exa-, peta-, yotta- o zetta-.

— Thorsten S.
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I commenti non sono per una discussione estesa; questa conversazione è stata spostata in chat .

— chiamato2voyage

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Forse uno ha bisogno di tornare indietro nel tempo e pensare al perché il cubito (lunghezza dell'avambraccio), la lega (distanza percorsa in un'ora), il piede, (metro - un decimilionesimo di un quadrante della Terra ??) e quindi forse dovrebbe non essere in questa lista) ecc. sono stati scelti come unità di distanza?
Erano facilmente comprensibili e riproducibili mentre allo stesso tempo avevano una scala comparabile con le distanze da misurare.
Quindi nel mondo moderno le persone hanno scelto ulteriori unità di distanza che inizialmente avevano quelle caratteristiche.

Una volta che queste nuove unità ottengono favore e documenti, libri di testo ecc. Sono scritti, è difficile liberarsene e alcuni direbbero: "Perché preoccuparsi?".

— Farcher
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4

Non so come sia nel tuo paese, ma qui in Russia articoli astronomici e notizie riportano molto spesso distanze astronomiche in chilometri, milioni di chilometri, miliardi di chilometri, trilioni di chilometri ecc. È solo che non usiamo unità come gigametri, petametri e simili, ma il chilometro è l'unità standard in astronomia.

— Anixx
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2

Penso che tu stia parlando di articoli in pubblicazioni popolari, ma non di riviste astronomiche professionali.

— Walter,

4

Sono già state fornite diverse risposte eccellenti. Ma nessuno ha parlato della percezione logaritmica. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Weber%E2%80%93Fechner_law )

Percepiamo tutto logaritmico-alleato. Per l'uomo, la differenza tra $10 metres$ $100 metres$ $100 metres$ $1 km$

Un'illustrazione della legge di Weber-Fechner. Su ciascun lato, il quadrato inferiore contiene 10 punti in più rispetto a quello superiore. Tuttavia la percezione è diversa: sul lato sinistro, la differenza tra il quadrato superiore e quello inferiore è chiaramente visibile. Sul lato destro, entrambi i quadrati sembrano quasi uguali.

$1$ $10$

— Agile_Eagle
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2

"gli umani comprendono la differenza tra 1 e 10 parsec meglio di quanto farebbero se gli stessi dati fossero presentati in metri". Basta aggiungere uno dei prefissi SI per i contatori e si finisce con la stessa situazione numerica. Questo non spiega davvero perché parsecs e non petameters (Pm).

— Trilarion,

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Avresti potuto nominare parsecs come petameter . Abbiamo appena deciso che parsec suonava meglio.

— Agile_Eagle,

anche parsec è conveniente poiché la sua definizione rende molto facile calcolare la distanza usando la parallasse

— Agile_Eagle

Sono pienamente d'accordo, è stato molto conveniente. Penso che alla fine sia principalmente una questione di convenzioni.

— Trilarion,

2

Unità come i misuratori sono semplicemente troppo piccole per essere utilizzate quando si misurano le distanze su scala astronomica. Sebbene in teoria si possano usare i contatori insieme alla notazione scientifica, è inutilmente difficile. Un'Unità Astronomica è la distanza tra la Terra e il Sole, questo agisce come una specie di metro cosmico.

— Danielwalsh100
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1

Tranne che la distanza tra il Sole e la Terra continua a cambiare, quindi l'UA doveva comunque essere definita in alcune unità invarianti ...

— un CVn

1

L'AU è l'asse semi-maggiore, che è abbastanza vicino all'invariante.

— userLTK

1

"Unità come i misuratori sono semplicemente troppo piccole ..." Quindi utilizza un prefisso per ingrandirle come ad esempio un petametro (Pm). Non vedo il grande svantaggio.

— Trilarion,

2

Gli astronomi non misurano e non possono misurare le distanze. Le distanze sono semplicemente dedotte da ciò che è stato effettivamente misurato, come un angolo, una luminosità relativa, un periodo di tempo, ecc. La maggior parte delle determinazioni della distanza astronomica dipende in definitiva dalla distanza Terra-Sole (unità astronomica), che quindi è di fondamentale importanza (e solo nei tempi moderni è noto con buona precisione). Per le stelle vicine, l'angolo di parallasse è direttamente correlato alla distanza, ma la distanza dedotta da quella non è una distanza misurata corretta: la sua incertezza non è normalmente distribuita (si pensi a una misurazione di parallasse negativa).

Gli astronomi sanno, naturalmente, quanti metri è un parsec e sanno che usare i metri per le distanze galattiche è solo fonte di confusione, perché devi assicurarti di ottenere sempre il numero corretto di 0000 (o la potenza corretta di dieci).

Infine, a differenza della fisica delle particelle, l'astronomia come scienza precede il sistema dei contatori, almeno il suo uso più ampio. Passare da un sistema ben funzionante a qualcos'altro solo per motivi di conformità con SI, ma per il prezzo di disagi e confusione sembra un'idea stupida.

— Walter
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"Le distanze sono semplicemente dedotte da ciò che è stato effettivamente misurato ..." Non è sempre così? Le osservazioni sono raramente dirette e spesso devi dedurre il valore che ti interessa in un modo o nell'altro. Questo non lo rende una misura meno valida. È semplicemente sbagliato affermare che non è possibile misurare le distanze in astronomia.

— Trilarion,

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Secondo me la risposta è convenzione (e le persone che preferiscono un piccolo numero di cifre).

Non c'è davvero altro. Qualsiasi prefisso per una lunghezza è ugualmente valido fino a quando si ottiene il diritto di conversione e la gente nel vostro campo sai di esso .

Fisicamente non c'è differenza tra 1 me 1.000.000 µm.

Quindi tutte le domande del tipo: "Perché viene scelto questo prefisso anziché quello per misurare XYZ?" avere la stessa risposta. Si riduce a ciò che è più conveniente ed è in definitiva abbastanza soggettivo.

— Trilarion
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È difficile mettere in relazione qualcosa come un terametro con "lunghezze reali", a causa della mancanza di conoscenza degli oggetti fisici con cui confrontarli. Inoltre, perché dopo un po ', queste unità diventano semplicemente "tanti altri zeri". Quindi suggerirei quanto segue:

Space Marginal Unit (SMU): 1.000.000 di metri, o approssimativamente la distanza da un'estremità della Francia all'altra. La distanza minima che due veicoli spaziali dovrebbero essere tra loro prima di dover coordinare le traiettorie o entrare in manovre di attracco. (Dammi un po 'di sospensione dell'incredulità qui gente.)

Lunghezza dell'orbita terrestre (LEO): 1.000.000.000.000 di metri, la distanza percorsa dalla Terra in un anno. (La distanza è in realtà circa il 6% in meno di quella, ma il LEO è qualcosa che può essere visualizzato.)

Kaid: 1.000.000.000.000.000.000 di metri. Questo è un po 'più della distanza da qui alla stella Alkaid.

Quanto sopra si presta prontamente alla conversazione quotidiana - se mai arriviamo al punto in cui parliamo di tali cose ogni giorno!

— Jennifer
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Che dire della notazione scientifica? possiamo usarlo al posto degli zero, no?

— A --- B

5

Non vedo come questo risponda alla domanda. Inoltre, LEO è l'abbreviazione comune di Low Earth Orbit , che è qualcosa di molto diverso dall'orbita terrestre attorno al Sole.

— un CVn

2

"È difficile mettere in relazione qualcosa come un terametro con" lunghezze reali "" Davvero? Per me un parsec è altrettanto difficile da mettere in relazione con una lunghezza che posso sentire. La mia visione semplice è che alcune stelle e galassie sono davvero molto, molto lontane. E quel 1 terametro è chiaramente definito e quindi deve avere un significato.

— Trilarion,

1

La semplice risposta è: le unità più grandi come AU o anni luce sono più facili da ricordare per il cervello umano. E dovremmo evitare di mettere unità con molti zeri in coda dopo le prime cifre, ad esempio: 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 di metri. potremmo usare AU o per distanze ancora più elevate, anni luce. Se era più corto, beh usiamo ancora i contatori ma con un esponente.

— Leo Pan
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1 AU è di circa 0,15 Tm, se si utilizza il prefisso giusto non si hanno zero eccessivi. La dimensione di una molecola d'acqua è 0,275 nm, non diciamo 0,000000000275 metri.

— Arne,

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Perché la distanza è scomoda . Ma byte, boom e ronzii variano senza intoppi .

Quegli esempi dell'OP in cui i prefissi metrici sono diventati convenzionali - terabyte, megatoni, gigahertz - sono domini in cui l'esperienza umana procedeva continuamente attraverso ordini di grandezza.

Non ci sono state soglie rigide e persistenti nella crescita di dischi rigidi, circuiti integrati o cavi . Tranne un po 'di viscosità ai poteri di 2, quel progresso è stato continuo.
Le esplosioni sono cresciute gradualmente nel corso della storia. Ci furono rari grandi salti come le armi atomiche ma anche così non ci sono numeri magici. Se ogni bomba a fusione avesse lo stesso rendimento, forse sarebbe diventata un'unità scientifica, ma variavano dappertutto .
Esistono poche frequenze magiche molto familiari agli umani. Le onde elettromagnetiche hanno un'isola vivida nello spettro delle frequenze alla luce visibile . Ma anche quello è spalmato su un'ottava (400-800 TeraHertz) e ci sono ampi oceani di uniformità insignificante su entrambi i lati.

La conoscenza umana della distanza , invece, procedeva a singhiozzo. "Siamo stati delimitati solo dalla terra, dall'oceano e dal cielo", ha detto Sagan . Quei duri confini del viaggio umano persistevano per millenni. Il passo di un adulto è un'isola antica, stretta e familiare sullo spettro delle distanze. La distanza dal sole era sempre familiare e apparentemente grande, molto prima che qualcuno potesse misurarla. Quindi i termini per questi persistono. "Lightyear" fissa una quantità surreale su due tangibili che difficilmente potrebbero essere più familiari. E sono entrambi confini duri, anche se la loro combinazione non lo è.

Il tempo è un altro dominio scomodo per gli umani, con solchi profondi nella misura di un giorno, un anno, un respiro. Nessun prefisso metrico su una singola unità farà.

— Bob Stein
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