به‌روزرسانی واحدهای اندازه‌گیری در سال ۲۰۱۸

در پایان سال ۲۰۱۸، «یک کیلوگرم» با آن مقداری که ما در حال حاضر می‌شناسیم وجود نخواهد داشت. درواقع برنامه‌ریزی شده است تا واحد‌های استاندارد اندازه‌گیری مورد تغییر و به‌روزرسانی وضعیت قرار گیرند و این امر در ۵۰ سال گذشته هیچ‌گاه سابقه‌ نداشته است.

با توجه به پیشنهاد جدیدی که ارائه شده است، تمامی هفت واحد اصلی اندازه‌گیری که در میان آن‌ها واحدهای ثانیه، کیلوگرم و متر نیز در نظر گرفته شده‌اند، با استفاده از خواص ثابت طبیعت مانند نور تعریف خواهند شد. درواقع قرار است از خواص طبیعی به‌جای خواصی استفاده شود که پیش‌تر توسط تعداد معدودی از دانشمندان تعیین شده و با این کار ما شاهد افزایش چشمگیر دقت‌های محاسباتی پیرامون همه‌ی جهان هستی خواهیم بود.

 شاید بپرسید که این کار دقیقا به چه معناست؟ درحالی‌که بسیاری از ما شاید تعریفمان از یک کیلوگرم به‌سادگی به‌صورت ۱۰۰۰ گرم، یا ۲.۲ پوند باشد، اما واقعیت بسیار پیچیده‌تر از این است.

در حال حاضر، جرم یک کیلوگرم توسط یک جسم فیزیکی تعریف شده است. این جسم فیزیکی به‌صورت یک قطعه‌ی جامد متشکل از ۹۰ درصد پلاتین و ۱۰ درصد ایریدیوم است که در فرانسه نگه‌داری می‌شود و با عنوان نمونه‌ی اصلی کیلوگرم یا IPK از آن یاد می‌کنند که خلاصه‌شده‌ی عبارت International Prototype Kilogram است. شما تصویر این نمونه‌ی اصلی را می‌توانید در بخش بالای گزارش ببینید.

کپی‌های زیادی از این جسم در سراسر جهان وجود دارد، اما اگر فردی بخواهد مقدار کاملا دقیقی از یک کیلوگرم داشته باشد، جرم موردنظر وی باید دقیقا هم‌وزن با قطعه‌ی فلزی نگه‌داری شده در پاریس باشد. این در حالی است که حتی IPK هم همواره ثابت نیست. هر چقدر هم که به‌خوبی از آن محافظت شده باشد، این قطعه هم همانند هر شیء فیزیکی دیگری به مرور زمان در حال به دست آوردن یا از دست دادن اتم‌ است. واقعیت این است که به نظر می‌رسد IPK هم از این قاعده مستثنا نبوده و در طی سالیان گذشته اندکی سنگین‌تر شده است و علت آن هم آلودگی‌های ناشی از رادیواکتیویته است.

محققان از چنین اتفاقی به‌هیچ‌وجه خشنود نیستند. چراکه بسیاری از فرضیات علمی بر پایه‌ی جرم یک کیلوگرم و طبیعتا ثابت ماندن آن در طی زمان استوار شده‌اند. از سویی دیگر قابل‌توجه است که از میان هفت واحد اصلی سیستم بین‌المللی (SI) یا سیستم متریک، تنها یک واحد وجود دارد که هنوز هم برای تعریف آن از یک شیء فیزیکی استفاده می‌شود. اما همین یک مورد هم درنهایت قرار است تغییر کند. در این راستا کمیته‌ی بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری تعاریف رسمی جدیدی برای واحدهای پایه‌ی SI ارائه داده‌اند که قرار است در بیست‌وششمین کنفرانس عمومی وزن و اندازه‌گیری در اواخر سال ۲۰۱۸ منتشر شود.

زمان آخرین اصلاحات عمده‌ای که روی سیستم متریک اعمال شد، به سال ۱۹۶۰ برمی‌گردد. پس می‌توان دریافت که زمانی طولانی از آن هنگام گذشته است. به‌عنوان یک یادآوری در اینجا به هفت واحد پایه‌ی اندازه‌گیری اشاره می‌کنیم:

 ثانیه
متر
کیلوگرم
آمپر
کلوین
مول
کاندلا (واحد پایه‌ی درخشندگی)
در حال حاضر هرکدام از واحدهای یادشده به‌جز کیلوگرم با استفاده از یک پدیده‌ی طبیعی تعریف شده‌اند. گفتنی است که متر در سال ۱۹۶۰ به‌عنوان آخرین واحدی بود که با استفاده از یک میله‌ی فیزیکی تعریف می‌شد و معیار اندازه‌گیری آن در همان سال تغییر کرد. از سویی چهار واحد دیگر نیز در تغییرات جدید ارتقا می‌یابند و سه مورد دیگر از آن‌ها هم در پروپوزال ارائه‌شده، مورد اصلاح جزئی قرار خواهند گرفت.

شاید تأثیرگذارترین مورد از میان تغییرات فوق مربوط به کیلوگرم باشد که بررسی کردیم، زیرا از سال ۲۰۱۸ به بعد دیگر هیچ‌گاه شاهد تعریف کیلوگرم با IPK نخواهیم بود. دلیلی که اعمال این تغییر را حتی تا به امروز به تأخیر انداخته، مربوط به این بود که پژوهشگران برای اینکه بتوانند واحد کیلوگرم را به‌طور رسمی بازتعریف کنند، باید روی یک مقدار در فیزیک به نام ثابت پلانک با هم به اجماع می‌رسیدند. این ثابت به نسبت انرژی یک ذره در قیاس با فرکانس آن مربوط می‌شود.

 اندازه‌گیری ثابت پلانک به‌طور غافلگیرکننده‌ای دشوار شده بود. درواقع دانشمندان از دهه‌ی ۱۹۷۰ در تلاش بوده‌اند تا برای این ثابت طبیعی به یک نتیجه‌ی قطعی و موردقبول برسند. اما در سال ۲۰۱۴، محققان در نهایت روی مقدار ثابت پلانک به توافق رسیدند. بااین‌حال دانشمندان تا ماه جولای سال آینده‌ی میلادی فرصت دارند تا مقدار آن را جایگزین کنند و این امر می‌تواند نویدبخش بی‌نیاز شدن ما از IPK از سال ۲۰۱۸ خواهد بود.

 اصلاحات اساسی دیگر روی آمپر، کلوین و مول اعمال می‌شوند. تعریف آمپر به‌عنوان واحد استفاده‌شده برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی، در حال حاضر با یک روش بسیار غیرعملی ارائه شده است. آمپر به میزان جریانی اطلاق می‌شود که در هنگام قرار دادن دو میله‌ی بی‌نهایت نازک و بی‌نهایت طولانی در فاصله‌ی دقیقا ۱ متر از همدیگر منجر به تولید مقدار مشخصی از نیرو خواهد شد. اما واقعیت این است که تولید سیم بی‌نهایت طولانی و نازک غیرممکن است. بنابراین هیچ‌کس در دنیای واقعی نمی‌تواند به‌طور دقیق چنین آزمایشی را انجام داده و به میزان دقیق آن پی ببرد.

در پیشنهاد جدیدی که ارائه شده، یک آمپر بر اساس بار الکتریکی الکترون و پروتون تعریف می‌شود. این مقادیر از مواردی به شمار می‌روند که دانشمندان قادر به اندازه‌گیری آن در دنیای واقعی هستند.

واحدهای کلوین و مول نیز به ترتیب با مرتبط ساختن آن‌ها با مقادیر دقیق ثابت بولتزمن و عدد آووگادرو، مجددا تعریف خواهند شد. در حال حاضر، کلوین به‌عنوان نقطه‌ی سه‌گانه‌ی آب تعریف شده است. این نقطه، به نقطه‌ی مبهمی گفته می‌شود که در آن آب به هر سه حالت مایع، گاز و جامد وجود دارد. شما می‌توانید تغییرات پیشنهادی را در چارت زیر مشاهده کنید. سیستم قدیمی در سمت چپ و سیستم پیشنهادی جدید در سمت راست قرار دارد:



در تصویر بالا، C سرعت نور است که یک متر با استفاده از آن تعریف می‌شود. ΔνCs تیک ساعت اتم سزیم (که به عنوان تعریف یک ثانیه در نظر گرفته می‌شود)، h نشانگر ثابت پلانک (که با استفاده از آن در سال ۲۰۱۸ یک کیلوگرم تعریف خواهد شد) است، NA ثابت آووگادرو است (که با استفاده از آن مول تعریف خواهد شد)، KCD مربوط به اثر درخشانی است که با استفاده از آن کاندلا تعریف خواهد شد، KB نیز ثابت بولتزمن (که کلوین را تعریف می کند) است. e نیز به عنوان بار پایه در نظر گرفته شده که برای تعریف آمپر استفاده خواهد شد.

شاید در ذهن شما نیز این پرسش ایجاد شده باشد که ایجاد تغییرات فوق در نهایت چه تغییر محسوسی برای ما خواهد داشت؟ اگر بخواهیم صادقانه جواب دهیم باید بگوییم که تغییر چندانی نخواهد داشت. در واقع ما در حال صحبت کردن در مورد تغییرات بسیار کوچکی هستیم که روی تعاریف فعلی ما از این مقادیر اعمال خواهد شد. بنابراین می‌توانیم بگوییم که جای هیچ‌گونه نگرانی وجود ندارد! قرار نیست که وزنمان طی یک شب و با اعمال شاخص‌های جدید کاهش یا افزایش پیدا کند!

  اما برای دانشمندان، موضوع کاملا فرق دارد. برای آن‌ها رویداد سال ۲۰۱۸ یک رویداد بزرگ خواهد بود و برخی از آن‌ها با تعبیر «اتفاقی که در طول زندگی یک‌بار می‌تواند رخ دهد.» یاد کرده‌اند. استفان شالامینگر (Stephan Schlamminger) از موسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری در گفتگو با امیلی کانور از ساینس نیوز دراین‌باره گفته است:

 یک خطای بسیار ریز در بنیاد واحد‌های ما وجود دارد و طبیعتا نمی‌توان ساختمان فیزیک رو بر روی این بنیاد بنا کرد. در واقع ما اکنون قادر به انجام روندهای بهتری در دنیای علم هستیم، به عنوان نمونه می‌توانیم به واحدهای اندازه‌گیری اشاره کنیم که در آینده‌ی نزدیک بر پایه‌ی جدیدترین و بهترین دستاوردهای پژوهشی ایجاد خواهد شد.
کانور همچنین گفته است:

واحدهای جدید بر پایه‌ی فهم مدرن ما از فیزیک بنا خواهند شد. از جمله‌ی این مفاهیم می‌توان به قوانین مکانیک کوانتومی و نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین اشاره کرد که در دوره‌های قبلی مورد توجه نبود.
هرگاه که ما نیاز به بازتعریف مقادیر واحدها داشته باشیم، به دنبال آن نیاز به ایجاد یک تغییر هم احساس خواهد شد. درواقع، تنها چیزی که می‌تواند برای تعاریف جدید سیستم متریک تهدیدی جدی به شمار رود؛ این است که ما به‌طور ناگهانی متوجه شویم که ثابت‌های طبیعت (مانند سرعت نور و ثابت پلانک) دارای مقادیر کمّی متفاوت در محل‌های مختلف جهان هستی هستند.

  البته این چیزی نیست که ما در حال حاضر بخواهیم درباره‌اش نگران باشیم. مگر اینکه نتایج بررسی انجام‌شده در سال ۲۰۱۱ را در نظر بگیریم که نشانه‌هایی از احتمال وجود این تفاوت را ارائه داده بود.

  اما در حال حاضر می‌توانیم مطمئن باشیم که نیروهای اساسی در کهکشان ثابت و تغییرناپذیر هستند. تا زمانی که پژوهشگران به روش‌ها یا یافته‌های جدیدی در این مورد نرسند؛ واحدها و معیارهای فعلی ما بهترین و قابل‌اعتمادترین مواردی هستند که ما باید برای تعیین مقادیر و واحدها به کار ببریم. مسلما معیار ارائه‌شده در سال ۲۰۱۸ از آن قطعه‌ی فلزی که در حال حاضر در پاریس نگهداری می‌شود، بسیار قابل‌اعتمادتر خواهد بود!