Μετά το χιλιόγραμμο: Ο νέος ορισμός της μονάδας μάζας

Διαβάστε επίσης:

1. Χιλιόγραμμο: Ο νέος ορισμός της μονάδας μάζας

2. Γιατί συμφέρει να μετράμε την μάζα σε μέτρα και όχι σε χιλιόγραμμα

3. Πότε ένα χιλιόγραμμο παύει να είναι ένα χιλιόγραμμο;

4. Οι Μονάδες ενώνουν τον κόσμο

Ποιό θα είναι το νέο… κιλό;

Το πρότυπο χιλιόγραμμο χάνει… βάρος. Τη θέση του έχει ήδη καταλάβει ένας θεωρητικός ορισμός του κιλού με τη βοήθεια της σταθεράς Πλανκ. Ποιά πειραματική μέθοδος όμως θα προκριθεί ως άξια να υποστηρίξει τη νέα θεωρητική κατασκευή;

Ενας μετρολόγος των Εργαστηρίων Sandia στις ΗΠΑ εξετάζει δείγμα κιλού σε έναν συγκριτή μάζας

Γράφει ο Τάσος Καφαντάρης (αναδημοσίευση από tovima.gr/science)
Κάποτε ο κόσμος του ανθρώπου ήταν απλός: ο ουρανός και τα καιρικά φαινόμενα ήταν στο χέρι των θεών, αλλά η γη ήταν επίπεδη όσο και η παλάμη του χεριού του. Τη μετρούσε με δρασκελιές, ζύγιζε τους καρπούς της με κομμάτια σίδερου και μετρούσε τον χρόνο του πάνω της με τη σκιά του ήλιου ως το λιόγερμα. Και όταν η κυριαρχία των μηχανών απλώθηκε παντού, ο άνθρωπος έβαλε τα μέτρα και τα σταθμά του σε γυάλινα κουτιά και τα σιγούρεψε σε ένα κτίριο για να έχουν όλοι σ’ αυτόν τον πλανήτη ένα κοινό σημείο αναφοράς. To κτίριο φύλαξης των προτύπων αυτών μέτρων και σταθμών βρέθηκε στο Παρίσι και η εποπτεύουσα αρχή ονομάστηκε Bureau International des Poids etMesures (Διεθνές Γραφείο Σταθμών και Μέτρων, ελληνιστί). Από το 1960 η συναίνεση αυτή έγινε καθολική, με την ίδρυση του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (Le SystèmeΙnternational d’ Unitesεν συντομία SI) Και αν ο κόσμος συνέχιζε να είναι απλός, δεν θα μας απασχολούσε ξανά το θέμα. Στις 21 Οκτωβρίου 2011, όμως, οι σοφοί τού SI αποφάνθηκαν πως επείγει να επαναπροσδιοριστεί το κιλό! Τι στο καλό τους έπιασε – και γιατί δεν μας κάνει πια το παλιό;

Το κιλό μας έχει φύρα

Το πρότυπο του κιλού που βρίσκεται στο Παρίσι χυτεύθηκε σε κύλινδρο πλατίνας και ιριδίου το 1879 και υιοθετήθηκε επισήμως ως πρότυπο χιλιόγραμμο (kg) το 1889. Για όλους εμάς το κιλό αυτό παρέμεινε έκτοτε αναλλοίωτο και βάσει αυτού ζυγίζουμε τα πάντα….. Για τους επιστήμονες, όμως, το πρότυπο κιλό «είχε φύρα» στα 113 χρόνια που ακολούθησαν, είτε από χημικές αλληλεπιδράσεις της επιφανείας του ή από διαφυγή των φυσαλίδων αζώτου και οξυγόνου που είχαν παγιδευτεί μέσα στον κύλινδρο κατά τη χύτευσή του. Αρα πρέπει να επαναπροσδιορισθεί – αλλά πώς;

Επειτα από διελκυστίνδες χρόνων για το θέμα, οι μετρολόγοι του SΙ κατέληξαν ότι πρέπει να αποδεσμεύσουν τον ορισμό του κιλού από μια φυσική υπόσταση και να τον συσχετίσουν με μια φυσική σταθερά. Ετσι τον περασμένο Οκτώβριο πρότειναν τον εξής νέο ορισμό του κιλού: «Το χιλιόγραμμο είναι τόσο ώστε η σταθερά Πλανκ να είναι ακριβώς 6,6260693 x 10-34 joule-seconds». Ενας άλλος τρόπος για να διατυπωθεί αυτός ο ορισμός είναι ότι «χιλιόγραμμο είναι η μάζα ενός σώματος εν αδρανεία, του οποίου η ισοδύναμη ενέργεια ισούται με την ενέργεια φωτονίων των οποίων οι συχνότητες είναι αθροιστικά 135,639,274 x 1042 Hz».

Από τη θεωρία στο ζύγισμα

Οπτικός του Αυστραλιανού Κέντρου Οπτικών Ακριβείας (ACPO) επιδεικνύει τη σφαίρα πυριτίου που προτείνει να υποκαταστήσει το νυν μεταλλικό κιλό

Η σταθερά Πλανκ h – που οφείλει το όνομά της στον ιδρυτή της κβαντομηχανικής Max Planck – δίνει την αναλογία μεταξύ της ορμής και του κβαντικού μήκους κύματος κάθε στοιχειώδους σωματιδίου. Οι μετρολόγοι επέλεξαν να την εμπλέξουν στον νέο ορισμό λόγω της υψηλής ακρίβειάς της και της αποδέσμευσής της από την υπόσταση του υλικού. Ποια πειραματική μέθοδος όμως είναι η καλύτερη για να μετρήσει το «νέο κιλό»; Στην τελική ευθεία για την πρόκριση της «καλύτερης ζυγαριάς» έχουμε δύο υποψηφίους: τη «ζυγαριά βατ» (Watt balance) και τη «μέτρηση ατόμων» (atom counting).

H «ζυγαριά βατ» πρωτοπροτάθηκε το 1975 από τον ερευνητή Brian Kibble του βρετανικού Εθνικού Εργαστηρίου Φυσικής NPL (National Physical Laboratory). Συσχετίζει την ηλεκτρική με τη μηχανική ισχύ και επιτρέπει επακριβή μέτρηση της σταθεράς Πλανκ. Το ζύγισμα γίνεται σε δύο φάσεις και, περιγραφικά, έχει περίπου ως εξής: φανταστείτε ένα μεγάφωνο ηχείου ανάσκελα, πάνω στον κώνο του οποίου τίθεται μια μάζα. Το βάρος της θα ωθήσει τον μαγνητικό κώνο και εκείνος θα επανέλθει στη θέση του αφού στείλει ένα ηλεκτρικό σήμα στο σύρμα του. Η δύναμη που γεννά το ηλεκτρικό ρεύμα μετρείται με το δυναμικό του. Το γινόμενο του δυναμικού και της έντασης του ρεύματος, δηλαδή η ηλεκτρική ισχύς (P = IV), ισούται με το γινόμενο βάρους και ταχύτητας. Ετσι η μέτρηση μένει ανεπηρέαστη από τις φυσικές ιδιότητες του μαγνήτη και του σύρματος του μεγαφώνου αφήνοντας τη μέτρηση του βάρους της μάζας «καθαρή». Οπότε μια τέτοια ζύγιση θα μπορούσε να αναπαράγεται οπουδήποτε στον πλανήτη και σε όποιον χρόνο.

Η ακρίβεια της μέτρησης με τη ζυγαριά βατ αφήνει περιθώριο λάθους μόλις δύο μερών στο ένα εκατομμύριο. Αν αντίστοιχες μετρήσεις, με την ίδια διάταξη, στον Καναδά και στις ΗΠΑ, δώσουν τα ίδια αποτελέσματα, η μέθοδος αυτή μάλλον θα πάρει την πρόκριση.

 

Avogadro Project

Ωστόσο υπάρχει και μια μέθοδος μέτρησης των ατόμων σε σφαίρα κρυστάλλων πυριτίου που διεκδικεί σθεναρά το τρόπαιο, η λεγόμενη Avogadro Project. Κατ’ αυτήν, μια σφαίρα ισοκατανεμημένων ατόμων πυριτίου και διαμέτρου 93,6 χιλιοστών θα αρκούσε για να μας δώσει ένα «κιλό χωρίς φύρα». Αυτό θα ισούταν με 35,74374043 σταθερά γραμμομόρια (moles) ατόμων 28Si και ο προτεινόμενος νέος ορισμός του θα γινόταν: «Χιλιόγραμμο είναι η μάζα ενός σώματος εν αδρανεία, της οποίας το γραμμομόριο είναι τέτοιο ώστε η σταθερά Avοgadro να ισούται με 6.0221415 x 1023 ανά γραμμομόριο». Η σταθερά Avogadro μάς δίνει τον αριθμό των ατόμων σε ένα μόριο και το γραμμομόριο είναι η ποσότητα στοιχειωδών σωματιδίων που ισούται με τον αριθμό των ατόμων σε 12 γραμμάρια άνθρακα 12 (12C).  Ομως οι δυσκολίες – και οι διαφωνίες – για τον τρόπο παραγωγής τέτοιων ολόιδιων σφαιρών κάνουν το Avogadro Project λιγότερο πιθανό νικητή.

Πολύ σύντομα τα νέα αποτελέσματα των μετρήσεων της ζυγαριάς βατ θα ανακοινωθούν, οπότε θα γνωρίζουμε αν αυτές παραμένουν ανεπηρέαστες από τις διαφορές του πεδίου βαρύτητας του πλανήτη και διατηρούν την ακρίβειά τους. Το σίγουρο είναι ότι εφεξής ο ορισμός της μάζας θα γίνεται μέσω των μονάδων χρόνου και χώρου. Αρα το κιλό μας θα έχει «διαστημική ισχύ», για όσο τουλάχιστον ο χωροχρόνος είναι αυτός που γνωρίζουμε…

Ενα κιλό χωροχρόνου

Η σταθερά Πλανκ ορίζει το κιλό με όρους χρόνου (δευτερόλεπτο) και χώρου (μέτρο). Με τη σειρά τους, ο μεν ορισμός του δευτερολέπτου εξαρτάται από μια άλλη φυσική σταθερά (τη συχνότητα διάσπασης του ατόμου καισίου – 133Cs), ο δε ορισμός του μέτρου από την πασίγνωστη φυσική σταθερά της ταχύτητας του φωτός (c = 299.792.458 m/s). Επομένως, ορίζοντας το κιλό μέσω αυτών, οι ατέλειες της μάζας στο πρότυπο κιλό παύουν να παίζουν ρόλο.



Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

Ετικέτες: ,

10 replies

  1. Θα έγραφα καλύτερα το πρότυπο χιλίογραμμο χάνει μάζα όχι βάρος, γιατι οδηγεί στη σύγχιση του βάρους με την μάζα.

    • Δεν θέλω να πιστέψω ότι Τάσος Καφαντάρης δεν γνωρίζει τη διαφορά μάζας – βάρους. Ίσως να το έγραψε έτσι επίτηδες …. (στην καθημερινή ζωή πάνω στη Γη όταν μειώνεται η μάζα ενός σώματος μειώνεται και το βάρος του. Και το άρθρο μιας εφημερίδας δεν είναι μάθημα φυσικής….). Ίσως ο ίδιος ο συγγραφέας να το αναθεωρήσει αργότερα …
      αλλά για την περίπτωση αυτή
      υπάρχει πάντα ο σύνδεσμος που οδηγεί στην πηγή του αρχικού άρθρου.

  2. Ή το έγραψε από λάθος, πάντως φυσικος δεν είναι ,μαχανικός ηλ. έχει σπουδάσει. Συχνα στο Βήμα μεταφράζουν λαθος άρθρα και μετά μεταφερεται το λάθος παντου. Θεωρω ότι σε ένα σοβαρό σάιτ ή ιστολογιο που το διαβάζουν και μαθητές πρέπει να προσέχουμε τις λεπτομερειες, αλλα αυτό είναι θεμα οπτικής γωνιας.

    • Η διαφορά μάζας – βάρους είναι πολύ δύσκολη και αφαιρέθηκε από την ύλη της φυσικής που διδάσκεται στο Πολυτεχνείο (του οποίου οι εισαχθέντες πετυχαίνουν μεγαλύτερη βαθμολογία από τους αντίστοιχους του φυσικού).
      Υ.Γ. Ο Καραθεοδωρής ήταν μηχανικός, Ο Carnot το ίδιο, Ο Faraday δεν είχε καν πανεπ. μόρφωση κ.ο.κ

  3. η έκφραση «Το πρότυπο χιλιόγραμμο χάνει… βάρος» είναι πολύ ωραία (και ΔΕΝ είναι λάθος) για αρχή σε ένα άρθρο εκλαίκευσης…. Όλα τα υπόλοιπα σημεία του άρθρου εσύ τα βρήκες σωστά;

    Όσον αφορά τα λάθη που γίνονται (από όλους … όχι μόνο) από το βήμα:
    Σε ΟΛΕΣ τις αναδημοσιεύσεις που περιέχονται σ’ αυτό το site υπάρχει πάντα ο σύνδεσμος που οδηγεί στην πηγή του αρχικού άρθρου … έτσι ώστε τα παράπονα να βρίσκουν τον δρόμο τους.

  4. Το άρθρο αφορά το πρότυπο μάζας επομενως αφορά την μάζα, ή έτσι το αντιλαμβάνομαι εγώ. Γινεται αναφορά σε όλη την προσπάθεια να υπάρχει ένα ακριβές προτυπο και στις τελευταίες εξελίξεις. Συμφωνω ότι είναι ωραίο σαν σχόλιο το χάνει βάρος αλλα νομίζω ότι σε άρθο αφιερωμένο στη μάζα μπερδεύει. Προφανώς και δεν ειναι λαθος ,αλλα οδηγεί σε συγχιση . Οσοι διδασκουν σε σχολείο το γνωρίζουν καλά αυτο που λεω.
    Το ότι το συγκεκριμένο σάιτ έχει πάντα τους συνδέσμους είναι μία από τις πολλές αρετές του όπως και οι σωστές μεταφρασεις και γιαυτο σας αξιζουν θερμα συγχαρητηρια.
    Το σχόλιό μου για τους φυσικούς αφορά το ότι οι φυσικοι διδάσκουν την φυσική αρα προσέχουν και αυτές τις λεπτομέρειες, οχι οτι οι αλλες ειδικοτητες δεν γνωριζουν φυσικη και μάλιστα αυτου του απλού επιπέδου.

    • Αυτή είναι η μοναδική «σύγχυση» που θα προκαλέσει το άρθρο αυτό σε έναν μαθητή;
      Όσοι έχουν διδάξει σε σχολείο ξέρουν την απάντηση.

      Προς μηχανολόγο ηλεκτρολόγο:
      σεβόμαστε βαθύτατα τους αποφοίτους του πολυτεχνείου

  5. Αλλλιως γράφει ο δημοσιογράφος σε μια επιστημονική στήλη εφημερίδας κι αλλιώς ένας συγγραφέας σχολικου εγχειριδιου.
    Κανείς δεν έμαθε φυσική μέσα από άρθρα εφημερίδων. Αυτά απλά πυροδοτούν τη περιέργεια και το ενδιαφέρον των μαθητών για το μάθημα φυσικής στο σχολείο. Εκεί θα διελευκανθούν οι απορίες και οι συγχύσεις τους.

    κατά τα άλλα Ok. Κανένα πρόβλημα. Όλοι γνωρίζουμε απλή φυσική!

  6. Όπως απάντησα ήδη σε e-mail της κυρίας Νάντσου,

    Έχετε δίκιο θεωρητικά, αλλά πρακτικά – για τον μέσο αναγνώστη – δεν έχει σημασία:

    In modern scientific usage, weight and mass are fundamentally different quantities: mass is an intrinsic property of matter, whereas weight is a force that results from the action of gravity on matter: it measures how strongly the force of gravity pulls on that matter. However, in most practical everyday situations the word «weight» is used when, strictly, «mass» is meant.[4][16] For example, most people would say that an object «weighs one kilogram», even though the kilogram is a unit of mass.
    The scientific distinction between mass and weight is unimportant for many practical purposes because the strength of gravity is almost the same everywhere on the surface of the Earth. In a uniform gravitational field, the gravitational force exerted on an object (its weight) is directly proportional to its mass.

    πηγή: http://en.wikipedia.org/wiki/Weight

    Αποδεκτή λοιπόν – και καλοδεχούμενη – η διόρθωση, αλλά είχα να χειριστώ ένα θέμα που ήδη κινδύνευε να μη διαβαστεί λόγω πολυπλοκότητας ορισμών, οπότε η μέριμνα του ενθέτου για εκλαϊκευση πρυτάνευσε.

Γράψτε απάντηση στο physicsgg Ακύρωση απάντησης

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: