تغییر استاندارد جهانی تعریف ۷ واحد اندازه گیری مهم دنیا

ما در زندگی خود همواره در حال اندازه‌‌گیری مقادیر گوناگون هستیم؛ میزان سنگینی، ارتفاع، حرارت، زمان و غیره. علت این امر نیز واضح است؛ ما برای خریدوفروش، سلامتی و دانش خود به یک اندازه و مقیاس نیاز داریم. اما پرسش اینجا است که آیا متر و معیار ما برای این اندازه‌‌گیری‌ها کاملا برابر است؟ از کجا می‌‌توان فهمید منظور ما از یک متر یا یک کیلوگرم همان مقداری است که فردی دیگر تصور می‌‌کند؟

طی سالیان گذشته، تلاش‌های زیادی برای تعریف دقیق واحدهای اندازه‌گیری صورت‌ گرفته است. اما در ۳۰ اردیبهشت سال جاری (مصادف با روز جهانی علم اوزان ومقادیر) یک بازنگری کامل درمورد استانداردهای این حوزه صورت گرفت.

البته قرار نیست ما شاهد اتفاق محسوسی در کاربری‌‌های روزمره‌‌ی خود باشیم، طبق برنامه‌‌ریزی‌‌ها قرار است گذار به سیستم جدید کاملا نامحسوس صورت گیرد؛ پس جای نگرانی وجود ندارد و کماکان یک کیلوگرم گوجه‌‌فرنگی همان مقدار است که بود! تفاوت در این است که از روز دوشنبه، تعریف رسمی هفت واحد اندازه‌‌گیری در سیستم بین‌‌المللی واحدها (SI) دیگر مانند گذشته نیست.

تعریف جدید استانداردهای SI برای کیلوگرم (kg)، متر (m)، ثانیه (s)، آمپر (a)، کلوین (k)، مول (mol) و شمع (cd) اعمال شده است

انسان‌ها همواره قادر به شمارش بوده‌‌اند؛ اما هم‌زمان با پیشرفت این سیر تکاملی، ما به‌‌سرعت توانستیم قابلیت‌‌های جدیدی را نظیر اندازه‌‌گیری طول، وزن و زمان را نیز به‌‌دست آوریم. فراعنه‌‌ی مصر برای ساخت اهرام از یک واحد طول باستانی به‌‌نام «اَرَش سلطنتی» (Royal Cubit) استفاده می‌‌کردند. این واحد طول بعدها نیز حفظ شد و به‌‌مرور ترویج یافت.

استفاده‌‌ی مصریان باستان از شیوه‌‌های اندازه‌‌گیری به‌‌کمک ارش سلطنتی

اما ارش نیز در گذر زمان از گزند تغییر و تحول در امان نبود. این واحد طولی به‌‌اندازه‌‌ی نیم‌‌متر کنونی (با خطایی حدود ۱۰ میلی‌‌متر) بود. جان ویلکینز اولین شخصی بود که تعریف یک مجموعه‌‌ی جهانی از واحدهای اندازه‌‌گیری را پیشنهاد داد که سپس، این ایده با استقبال دبیر انجمن سلطنتی لندن نیز مواجه شد.

انگیزه‌‌ی اصلی برای انجام این کار از زمان انقلاب کبیر فرانسه ریشه می‌‌گیرد. فرانسوی‌‌ها اولین کسانی بودند که در ۲۲ ژوئن ۱۷۹۹، اولین استانداردهای طول و جرم را با دو قطعه‌‌ی استاندارد از جنس پلاتین به‌‌نمایندگی از متر و کیلوگرم انتخاب کرده و آن‌‌ها را در آرشیو جمهوری این کشور در پاریس نگه‌داری کردند.

دانشمندان نیز از این ایده حمایت کردند؛ به‌‌خصوص ریاضیدان آلمانی، کارل فریدریش گاوس که شور و اشتیاق زیادی برای به‌‌ثمر نشستن این حرکت از خود نشان داد. نمایندگانی نیز از ۱۷ کشور عضو سازمان ملل متحد گرد هم آمدند تا با امضای «کنوانسیون متر»، به‌‌صورت رسمی نظام بین‌المللی واحدها (SI) را شکل دهند.

فرانسه که به‌‌خاطر آسیب‌‌های ناشی از جنگ با پروس (یکی از امپراتوری‌‌های قدرتمند اروپایی آن زمان) دیگر از اعتبار علمی سابق خود برخوردار نبود، یکی از ساختمان‌‌های جنگ‌‌زده‌‌ی خود را در سینت‌‌کلاود به‌‌عنوان خانه‌‌ی بین‌‌المللی این سیستم نوپا در اختیار جهان قرار داد.

BIPM، خانه‌‌ی نظام بین‌‌المللی واحدها

این ساختمان که با نام Pavillon de Breteuil شناخته می‌‌شود، هنوز هم میزبان اداره‌‌ی بین‌‌المللی اوزان و مقیاس‌‌ها (BIPM) است و در آن نمونه‌‌های بین‌‌المللی از واحد کیلوگرم در دو گاوصندوق و سه محفظه‌‌ی شیشه‌‌ای نگه‌داری می‌‌شود. این نمونه متشکل از یک بلوک صیقلی از جنس پلاتین و ایریدیوم است که برای تعریف واحد کیلوگرم استفاده می‌شود. نمونه‌ی یادشده معیار مقایسه برای تمامی نمونه‌های استاندارد از واحد کیلوگرم در کشورهای مختلف دنیا نیز محسوب می‌شود (این نسخه‌‌ی اصلی سه‌‌بار دربرابر تعدادی از نسخه‌‌های کپی کاملا مشابه خود وزن‌‌کشی شده است).

نسخه‌‌ی بین‌‌المللی کیلوگرم که با نام Big K شناخته می‌شود

اما بریتانیایی‌ها به‌‌خاطر سطح نفوذ بالای خود تا سال ۱۸۸۴ از امضای این پیمان طفره رفتند. حتی بعد از امضای این پیمان نیز سیستم جدید تنها توسط دانشمندان مورد استفاده قرار می‌گرفت و سیستم مورداستفاده در بخش بزرگی از جهان، همچنان همان واحدهای سلطنتی رایج یعنی پوند، اونس، فوت و اینچ باقی ماند. حتی ایالات‌متحده که در آن زمان این پیمان را امضا کرده بود نیز عملا هرگز آن را اجرا نکرد و همچنان به همان نسخه‌‌ی بریتانیایی از سیستم واحدهای خود پایبند ماند.

بااین‌حال، به‌‌نظر می‌‌رسد ایالات‌متحده در سال ۱۹۹۹ (یعنی همان زمانی‌که مدارگرد اقلیمی مریخ (MCO) در حین انجام عملیات از بین رفت)، از تصمیم خود برای استفاده از سیستم واحدهای سلطنتی پشیمان شد. این اتفاق عجیب و تاسف‌بار به‌منزله‌ی درس عبرتی برای عدم تعهد جهانی به سیستم بین‌المللی واحدها شناخته می‌شود. در گزارش مربوط‌‌به این اتفاق که در آن زمان بالغ‌‌بر ۱۹۳.۱ میلیون دلار خسارت دربرداشت، آمده است:

علت اصلی از دست رفتن مدارگرد MCO، خطای ناشی از عدم استفاده از واحدهای متریک در برنامه‌نویسی یک فایل نرم‌افزاری در زمین بود که برای مدل‌‌سازی خط سیر فضاپیما مورد استفاده قرار می‌‌گرفت.

این فاجعه‌‌ی غم‌‌انگیز زمانی رقم خورد که مدارگرد یادشده با ورود به مداری پایین‌‌تر از حد تعیین‌‌شده، وارد جو مریخ شد و برای همیشه ازدست رفت.

نتیجه‌‌ی برخی از پژوهش‌‌ها نشان می‌‌دهد که احتمالا دلیل اصلی خروج مدارگرد اقلیمی مریخ، تنها یک اشتباه در عدم استفاده ازسیستم متریک بوده است

پس علت تصمیم تازه‌ی جهان برای اعمال تغییرات در این سیستم چه بود؟ مشکل اصلی در تعریف موجود برای واحد کیلوگرم این بود که نمونه‌‌های موجود کاملا پایدار نبودند و برای واحد جریان الکتریکی نیز واحد تعریف‌‌شده چندان قابل‌‌درک نبود. به‌‌علاوه، دانشمندان می‌‌گویند در اثر انجام وزن‌‌کشی‌‌های متعدد، نمونه‌‌ی اصلی کیلوگرم (Big K) به‌‌مرور در حال کاهش جرم است.

به‌‌گفته‌‌ی BIPM، در حال حاضر تمامی واحدها به‌‌شکلی صریح و ثابت تعریف شده‌‌اند. ایده‌‌ی اصلی این است که ما یک ثابت جهانی (به‌‌عنوان مثال، سرعت نور در خلا) را درنظر می‌گیریم و از آن برای تعیین مقدار عددی واحدها بدون هیچ‌‌گونه عدم‌‌قطعیتی بهره می‌‌گیریم.

واقعیت ثابت است، عدد نیز ثابت است و بنابراین واحدها از امروز به‌‌طور کامل تعریف‌‌شده خواهند بود. بنابراین تنها نیاز است که هفت مقدار ثابت مربوط‌‌به واحدهای اندازه‌‌گیری مختلف را بیابیم و اطمینان حاصل کنیم که تمام اندازه‌گیری‌های بعدی با دقت کافی انجام خواهند شد.

این هفت واحد هم‌‌اکنون با ثوابت جهانی نظیر سرعت نور در خلاء (c) تعریف شده‌‌اند

استرالیا نیز اکنون کروی‌ترین شی ماکروسکوپی موجود در سطح زمین را دارا است؛ یک گوی سیلیکونی که برای اندازه‌گیری ثابت آووگادرو (۱۰۲۳×۶/۰۲۲۱۴۰۷۶) به‌‌کار می‌‌رود. این ثابت جهانی در شیمی برای تعریف یکی از واحدهای سیستم SI به‌‌نام مول (mole) تعیین شده است؛ یعنی مقداری از هر ماده که تعداد ذرات بنیادی (مولکول یا اتم) آن برابر با تعداد اتم‌‌های موجود در ۱۲ گرم از کربن ۱۲ است.

والتر گیاردینی از مؤسسه‌‌ی ملی اندازه‌‌گیری استرالیا که یک گوی سیلیکون را به‌‌عنوان بخشی از پروژه‌‌ی آووگادرو در دست دارد

از امروز نمونه‌‌ی اصلی کیلوگرم (Big K) در اداره‌‌ی بین‌‌المللی اوزان و مقیاس‌‌ها، تنها شی‌ با اهمیت تاریخی خواهد بود که اندازه‌‌گیری جرم آن در بهترین حالت نیز با عدم‌‌قطعیت همراه است. از این پس، کیلوگرم بااستفاده از ثابت چهانی پلانک تعریف خواهد شد؛ مفهومی که از دیدگاه فیزیک کوانتوم غیرقابل تغییر است.

اکنون چالش اصلی این است که چگونه این تعاریف جدید را به‌‌شیوه‌‌ای قابل‌‌درک برای مردم عادی (به‌‌خصوص اقشار غیرعضو در جوامع علمی) توضیح دهیم. چراکه مقایسه‌‌ی مفهوم کیلوگرم با نشان‌‌دادن یک بلوک فلزی بسیار ساده‌‌تر از مفاهیم پیچیده‌‌ای نظیر ثابت پلانک است.

در حال حاضر، ازلحاظ فنی یک کیلوگرم (kg) بدین صورت تعریف شده است:

با درنظرگرفتن مقدار عددی ثابت پلانک (h) که برابر با ۱۰.۱۵×۶/۶۲۶۰۷۰۱۵ (با واحد ژول‌‌ثانیه) است؛ این ثابت معادل با kg.m2/s خواهد بود که در آن m (متر) و s (ثانیه) براساس c و ΔνCs تعریف خواهند شد.

کمی بیشتر به همین عبارت آخر بیندیشید. به نظر شما توضیح‌‌دادن این تعریف از کیلوگرم برای یک فروشنده‌ی ساده در یک فروشگاه میوه یا خواروبار چگونه امکان‌‌پذیر است؟