معرفی واحدهای اندازه گیری جدید به دنیای علم تا پایان سال ۲۰۱۸

به گزارش کلیک، تا پایان سال ۲۰۱۸ دیگر کیلوگرم به همان شکلی که ما می شناسیم، وجود نخواهد داشت! و قرار است که واحدهای اندازه گیری سرانجام پس از بیش از ۵۰ سال برای نخستین بار به روز رسانی شده و تغییر کنند.

براساس پروپوزال جدیدی که ارائه شده است، تمامی هفت واحد اندازه گیری اصلی از جمله ثانیه، کیلوگرم و متر تغییر خواهند کرد و با ویژگی های پایدار موجود در طبیعت مثل سرعت نور تعریف خواهند شد، به جای این که با مفاهیمی بیان شوند که توسط گروهی از دانشمندان مطرح و نامگذاری شده اند! این کار باعث خواهد شد تا همه چیز درباره محاسبات ما، دقت بیشتری پیدا کند.

اما این تغییر واحد اندازه گیری چه معنایی دارد؟ با این که بیشتر ما خیلی ساده فکر می کنیم که یک کیلوگرم برابر است با ۱۰۰۰ گرم و یا همان ۲٫۲ پوند، واقعیت این است که این واحد خیلی پیچیده تر از این هاست.

همین حالا جرم یک کیلوگرم به این صورت تعریف می شود که برابر است با یک جسم فیزیکی مجرد، یک جسم صلب با ۹۰ درصد پلاتینیوم و ۱۰ درصد ایریدیوم، که بر روی یک گنبد در فرانسه قرار گرفته است! و به عنوان پروتوتایپ بین المللی کیلوگرم یا همان IPK (International Prototype Kilogram) شناخته می شود و شکل یکی از پروتوتایپ های تقلبی آن را در زیر می بینید.

تعداد زیادی از این ماکت های جعلی در سراسر دنیا وجود دارد اما اگر بخواهید خیلی دقیق باشید، یک کیلوگرم دقیقا برابر با وزن همان مدل اصلی است که در پاریس نگهداری می شود.

عجیب تر از خود این مساله این است که حتی خود نمونه اصلی IPK هم دارای وزن ثابت نیست! بلکه علی رغم این که این جسم به خوبی مورد حفاظت قرار دارد، درست مانند هر شی فیزیکی دیگری، ممکن است که در طول زمان تعدادی اتم از دست داده یا بگیرد. گفته می شود که به نظر می رسد که IPK طی چندین سال اخیر، کمی سنگین تر شده است که دلیل آن آلودگی سطحی است.

پژوهشگران نگران این مورد هستند چراکه بسیاری از تصورات علمی بر اساس وزن یک کیلوگرم از جسم ثابت باقی می مانند و واحدهای هفتگانه سیستم بین المللی اندازه گیری (SI) یا سیستم متریک در واقع به بازی گرفته شده اند.

اما سرانجام این رویه قرار است تغییر کند. یک کمیته بین المللی به نام کمیته بین المللی وزن و اندازه گیری در حال آماده کردن یک پروپوزال از تعاریف رسمی جدید برای واحدهای مبنی بر SI است. این پروپوزال به نظر می رسد که قرار است در کنفرانس عمومی اوزان و اندازه ها (General Conference on Weights and Measures) در اواخر سال ۲۰۱۸ ارائه شود.

آخرین تغییرات به عمل آمده بر روی سیستم متریک در سال ۱۹۶۰ صورت گرفت و به این ترتیب مدت زمانی طولانی از آن می گذرد. تا امروز هفت واحد اصلی اندازه گیری عبارت هستند از:

ثانیه

متر

کیلوگرم

آمپر

کلوین

مول

کاندلا (یا همان واحد اصلی برای اندازه گیری میزان روشنایی)

تمامی این واحدها به جز کیلوگرم بر اساس شرایط و موجودات طبیعی نامگذاری و تعریف شده اند. متر آخرین چیزی بود که با استفاده از یک میله فیزیکی در سال ۱۹۶۰ تعریف شد. اما از این بین ۴ واحد نیاز دارند تا به روز رسانی شوند و سه واحد دیگر هم به کلی تغییر خواهند کرد. از همه مهیج تر این است که دیگر واحدی به نام کیلوگرم وجود نخواهد داشت که به وسیله IPK تعریف شود.

برای این که دانشمندان بتوانند کیلو را دوباره تعریف کنند، مجبور بودند تا بر روی ارزش چیزی به نام ثابت پلانک (Planck's constant) به توافق برسند. این ثابت چیزی است که نسبت بین انرژی ذره به فراکانس آن را تعیین می کند.

حتی پیدا کردن مقدار ثابت پلانک هم کاری بسیار دشوار است و دانشمندان از سال ۱۹۷۰ در تلاش بودند تا مقداری را برای این ثابت طبیعی پیدا کنند.

اما در سال ۲۰۱۴ دانشمندان سرانجام به نوعی توافق نامه بر سر ثابت پلانک رسیدند، هرچند که باز هم جولای سال بعد از آن یعنی سال ۲۰۱۵، دانشمندان این مقدار را هم ملغی اعلام کردند. این به این معنی است که ما می توانیم در سال ۲۰۱۸ از شر IPK خلاص شویم.

تغییرات دیگر هم مربوط هستند به آمپر، کلوین و مول. آمپر که واحدی است برای اندازه گیری جریان الکتریکی، در حال حاضر با یک روش غیر تجربی تعریف می شود. یک آمپر در حال حاضر برابر است با این تعریف: وقتی الکتریسیته از داخل دو سیم بی نهایت بلند و بی نهایت نازک عبور می کند، که دقیقا به فاصله یک متری از هم واقع هستند، یک میزان نیروی خاص تولید می شود. به این میزان نیرو یک آمپر می گویند.

اما واضح است که عبارت های بی نهایت بلند و بی نهایت نازک برای ساخت سیم غیر واقعی هستند و غیر ممکن است بتوانیم سیمی با این ویژگی بسازیم. پس هیچ کس نمی تواند چنین چیزی را آزمایش کند تا ببیند این مقدار چقدر باید باشد.

بر اساس این پروپوزال جدید، یک آمپر به طور کلی بر اسا شارژ الکتریکی الکترون و پروتون تعریف خواهد شد، یعنی چیزهایی که بالاخره دانشمندان قادر به اندازه گیری شان خواهند بود.

کلوین و مول هم با ربط دادن آن ها به مقادیر دقیق ثابت های بولتزمان و آووگادرو از نو تعریف خواهند شد. در حال حاضر، کلوین به عنوان نقطه سه گانه آب تعریف می شود، یعنی نقطه ای انتزاعی که در آن آب به صورت جامد، مایع و گاز وجود دارد.

در شکل زیر می توانید ببینید که این چه تغییراتی در این پروپوزال اعمال خواهد شد. همان طور که مشخص است، شکل سمت چپ نشان دهنده واحد اندازه گیری بین المللی (SI) قدیمی و شکل سمت راست مربوط به SI جدید است.

اما همه این ها چه تاثیری بر ما خواهد داشت؟ اگر بخواهیم صادق باشیم، احتمالا هیچ چیز! در این جا داریم درباره تغییرات بسیار بسیار کوچک صحبت می کنیم که باعث بازتعریف این مقادیر می شوند. پس چندان جای نگرانی وجود ندارد و قرار نیست که به طور ناگهانی در سال ۲۰۱۸ با تغییری عظیم روبرو شویم.

اما برای دانشمندان و پژوهشگران اوضاع فرق می کند و این تغییر می تواند تاثیر شگرفی بر کار آن ها بگذارد به طوری که این تغییر با نام "یک بار برای یک عمر" نامگذاری شده است.

استفان اشلامینگر از انستیتو ملی استاندارد ها و تکنولوژی ایالات متحده آمریکا در مصاحبه با امیلی کانوور در ساینس نیوز گفته بود که: یک ترک مویی در بنیان دانش اندازه گیری ایجاد شده است و قطعا نمی توانید بنای فیزیک را بر روی چنین شالوده ای بنا کنید!

به طور اساسی، ما در حال حاضر قادریم تا دانش بهتری تولید کنیم و ببینیم که واحدهای اندازه گیری مورد استفاده مان به سمت جدیدترین و بهترین مطالعات و تحقیقات پیش می روند.

وی در ادامه گفت: این واحدهای جدید بر اساس مفاهیم مدرنی از فیزیک شامل قوانین مکانیک کوانتوم و نظریه انیشتین از نسبیت خاص تعریف خواهند شد.

وقتی این تغییرات را اعمال کنیم، باید مدت زمان بسیار زیادی طول بکشد تا لازم باشد تا دوباره این مقادیر را باز تعریف کنیم.

در واقع، تنها چیزی که می تواند این تعاریف سیستم اندازه گیری جدید را به خطر بیندازد، این است که ما به طور ناگهانی متوجه شویم که ثابت های طبیعت، مثل سرعت حرکت نور و یا ثابت پلانک، به میزان بسیار کم در نقاط مختلف جهان می توانند با هم فرق کنند. هرچند که نمی خواهیم شما را بترسانیم، اما یک مطالعه در سال ۲۰۱۱ این موضوع را بیان کرده بود.

به هر جهت، در حال حاضر نیروهای بنیادی بین جهان، ثابت و بدون تغییر هستند. و تا جایی که پژوهشگران بتوانند خلاف این اصل را ثابت کنند، همین اصول بهترین و قابل اعتمادترین چیزهایی هستند که برای تعریف کردند واحدهای اندازه گیری اطرافمان در دست داریم. حداقل بسیار قابل اعتمادتر از یک جسم فلزی در پاریس!