Ψηφίστηκε η αναθεώρηση του Διεθνούς Συστήματος μονάδων μέτρησης

Posted on 16/11/2018

3


Οι μαθητές του Λυκείου πρέπει να διαγράψουν από τα βιβλία τους τις παραγράφους όπου ορίζονται οι εξής μονάδες μέτρησης: το χιλιόγραμμο ή κιλό (μονάδα μέτρησης της μάζας), το Ampere (μονάδα μέτρησης της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος), το Kelvin(μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας) και το γραμμομόριο ή mol (μονάδα μέτρησης για την ποσότητα ύλης ενός σώματος):

Σήμερα, 16 Νοεμβρίου 2018, οι παραπάνω ορισμοί άλλαξαν. Οι εκπρόσωποι 60 χωρών – μέλη του Διεθνούς Γραφείου Μέτρων και Σταθμών (ΒΙΡΜ) – ψήφισαν τον επαναπροσδιορισμό αυτών των μονάδων μέτρησης, στην 26η Γενική Συνδιάσκεψη Μέτρων και τα Σταθμών που πραγματοποιήθηκε στις Βερσαλλίες. Οι αλλαγές θα τεθούν σε ισχύ στις 20 Μαΐου 2019 και θα βάλουν ένα τέλος στην χρήση φυσικών αντικειμένων στον προσδιορισμό των θεμελιωδών μονάδων μέτρησης.

Oι νέοι ορισμοί θα βασίζονται στις τιμές των παγκόσμιων φυσικών σταθερών: το χιλιόγραμμο (kg) ορίζεται πλέον διαμέσου της σταθεράς του Planck (h), το Ampere (A) από το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο e, o βαθμός της κλίμακας Kelvin (K) διαμέσου της σταθεράς του Boltzmann (k) και το γραμμομόριο από την σταθερά Avogadro (NA).

«Ο επαναπροσδιορισμός του Διεθνούς Συστήματος (SI) αποτελεί ορόσημο στην επιστημονική πρόοδο» δήλωσε ο διευθυντής του BIPM, Martin Milton. «Χρησιμοποιώντας τις θεμελιώδεις σταθερές της φύσης ως θεμέλια σημαντικών εννοιών, όπως η μάζα και ο χρόνος, σημαίνει πως διαθέτουμε ένα σταθερό υπόβαθρο πάνω στο οποίο προάγουμε την επιστημονική μας κατανόηση, αναπτύσσουμε νέες τεχνολογίες και αντιμετωπίζουμε μερικές από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της κοινωνίας μας».

Οι επιστήμονες ονειρευόντουσαν από το 1700 την κατασκευή ενός συστήματος μονάδων μέτρησης που θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί οποιαδήποτε στιγμή και οπουδήποτε. Οι επιστημονικές εξελίξεις στην κβαντική φυσική κατέστησαν τελικά δυνατή την επίτευξη αυτού του στόχου.

1. Τα κβαντικά φαινόμενα χρησιμοποιούνται ήδη για τον ορισμό της μονάδας χρόνου. Έτσι, το δευτερόλεπτο, ως η χρονική διάρκεια μέσα στην οποία συμβαίνουν 9.192.631.770 καθορισμένες περιοδικές ενεργειακές μεταβολές στο άτομο του καισίου (Cs133). Οι ενεργειακές αυτές μεταβολές συνδέονται άμεσα με την σταθερά του Planck και τις συχνότητες εκπομπής-απορρόφησης ακτινοβολίας που πραγματοποιούνται.

2. Η μονάδα μέτρησης του μήκους, το μέτρο, βασίζεται στην ταχύτητα του φωτός στο κενό και ορίζεται ως η απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε 1/299.792.458 του δευτερολέπτου. Προφανώς, ο ορισμός του μέτρου εξαρτάται από τον ορισμό του δευτερολέπτου.

 3. Ο νέος ορισμός του χιλιογράμμου βασίζεται σε τρεις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές: την σταθερά του Planck h,  την ταχύτητα του φωτός και τον συντονισμό ενεργειακής μετάβασης στο άτομο του καισίου όταν απορροφά συγκεκριμένη συχνότητα ακτινοβολίας.
H σταθερά του Planck επιτρέπει τους φυσικούς να συσχετίζουν την μάζα με την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Οι φυσικοί του NIST χρησιμοποιούν την διάταξη που ονομάζεται ζυγός Kibble – η αρχική του ονομασία ήταν ζυγός Watt.
Ο ζυγός Kibble του NIST χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις για να ισορροπήσει μια μάζα ενός χιλιογράμμου. Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις δημιουργούνται από ένα πηνίο που είναι τοποθετημένο μεταξύ δυο μόνιμων μαγνητών. Ο ζυγός Kibble έχει δυο τρόπους λειτουργίας. Στον πρώτο τρόπο, ένα ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το πηνίο δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρά με το μόνιμο μαγνητικό πεδίο και ασκεί μια δύναμη προς τα πάνω ισορροπώντας μια μάζα ενός χιλιογράμμου.
Στον δεύτερο τρόπο, το πηνίο ανυψώνεται με σταθερή ταχύτητα. Αυτή η κίνηση προς τα πάνω επάγει μια τάση στο πηνίο, η οποία είναι ανάλογη με την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Μετρώντας το ρεύμα, την τάση και την ταχύτητα του πηνίου οι πειραματιστές μπορούν να συσχετίσουν την σταθερά του Planck, με την ποσότητα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που απαιτείται για την ισορροπία της μάζας.

Η αρχή λειτουργίας του ζυγού Watt (Kibble)

Σύμφωνα με την παραπάνω εικόνα, η φυσική του ζυγού Watt (ή Kibble) είναι πολύ απλή. Από την τελική εξίσωση IV=mgυ παίρνουμε m=VI/gυ.
Όλα τα μεγέθη στo δεύτερο μέρος της εξίσωσης μπορούν να μετρηθούν με εξαιρετική ακρίβεια. Πως;
Η ένταση και η τάση του ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιώντας κβαντο-ηλεκτρικά φαινόμενα (κβαντικό φαινόμενο Hall και φαινόμενο Josephson) που μπορούν να μετρηθούν με εργαστηριακά όργανα και η ένταση του πεδίου βαρύτητας χρησιμοποιώντας μια υπερ-ευαίσθητη συσκευή που ονομάζεται απόλυτο βαρυτόμετρο.
Η ταχύτητα μπορεί να μετρηθεί παρακολουθώντας την κίνηση του πηνίου με συμβολομετρία, που λειτουργεί στην κλίμακα του μήκους κύματος του φωτός του λέιζερ.
Που βρίσκεται η σταθερά του Planck σ’ όλα αυτά;
Στον τρόπο με τον οποίο μετράμε την ένταση και την τάση του ηλεκτρικού ρεύματος διαμέσου των κβαντο-ηλεκτρικών φαινομένων Hall και Josephson. Εκεί υπεισέρχονται η σταθερά Josephson [=h/(2e)] και η σταθερά von Klitzing [=h/e2] οι οποίες εξαρτώνται από την σταθερά h του Planck και το φορτίο του ηλεκτρονίου.
Έτσι ο ζυγός Watt (Kibble) μπορεί να συσχετίσει την σταθερά Planck με την μάζα.
Ο επαναπροσδιορισμός του χιλιογράμμου γίνεται αποδίδοντας μια συγκεκριμένη τιμή στην σταθερά του Planck, επιτρέποντας στον ζυγό Watt (Kibble) να μετρά την μάζα χωρίς αναφορά στο Διεθνές Πρωτότυπο του Χιλιογράμμου ή σε κάποιο άλλο φυσικό αντικείμενο. Μια συνέπεια του επαναπροσδιορισμού του χιλιογράμμου (kg) είναι ότι εξαρτάται από το μέτρο (m) και το δευτερόλεπτο (s)

4. Με παρόμοιο τρόπο η μονάδα μέτρησης της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, το Ampere, βασίζεται στο ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου (και εξαρτάται από τον ορισμό του δευτερολέπτου).

5. Η μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας, το Κelvin βασίζεται σε κβαντικού επιπέδου μετρήσεις της ατομικής κίνησης και συνδέεται με την σταθερά του Boltzmann, η οποία υπεισέρχεται στην σχέση ενέργειας-θερμοκρασίας ενός σώματος, όπως συμβαίνει με την σταθερά του Planck και τις συχνότητες συντονισμού στο ατόμου του καισίου. Σύμφωνα με το νέο ορισμό το Kelvin είναι ότι εξαρτάται από το δευτερόλεπτο, το μέτρο και το χιλιόγραμμο.

6. Ο ορισμός του γραμμομορίου βασίζεται σε μια βελτιωμένη τιμή της σταθεράς Avogadro.

7. Ολοκληρώνοντας την απαρίθμηση των 7 θεμελιωδών μονάδων μέτρησης αναφέρουμε και την candela (cd) με την οποία μετράμε την ένταση μιας φωτεινής πηγής. Mία candela είναι η φωτεινή ένταση προς δεδομένη διεύθυνση, πηγής που εκπέμπει μονοχρωματική ακτινοβολία με συχνότητα 540×1012 Hz και έχει ένταση ακτινοβολίας στην κατεύθυνση αυτή ίση με 1/683 Watt ανά στερακτίνιο.

Οι κλάδοι που είναι πιθανό να επωφεληθούν ταχύτερα από τους νέους ορισμούς των τεσσάρων θεμελιωδών μονάδων είναι εκείνοι που ασχολούνται με τα ηλεκτρονικά και τα φαρμακευτικά προϊόντα.

Τα ηλεκτρονικά προϊόντα σχετίζονται με το Ampere του οποίου ο μέχρι τώρα ορισμός του ήταν πρακτικά ανέφικτος, και το αποτέλεσμα ήταν οι ηλεκτρικές μετρήσεις ακριβείας να βασίζονται τα τελευταία 30 χρόνια σε κβαντικές μετρήσεις όπως το φαινόμενο Hall και η επαφή Josephson που δημιουργούν κβαντικές τάσεις. Η σημερινή αλλαγή επισημοποιεί και εντάσσει όλες αυτές τις μετρήσεις στο Διεθνές Σύστημα Μονάδοων (SI).

Οι φαρμακευτικές εταιρείες μετρούν την μάζα σε επίπεδα μικρογραμμαρίου, το ένα δισεκατομμυριοστό του χιλιογράμμου. Ο επαναπροσδιορισμός του χιλιογράμμου με κβαντικούς όρους δίνει μια μονάδα μέτρησης που μικραίνει την αβεβαιότητα όταν χρησιμοποιείται στο μικροσκοπικό επίπεδο της σχεδιασμού και μελέτης των φαρμάκων.

Η δυνατότητα ακριβέστερης κλιμάκωσης των μετρήσεων από το κβαντικό επίπεδο μέχρι τα τεράστια μεγέθη των γαλαξιών αποτελεί το βασικό πλεονέκτημα του νέου συστήματος μονάδων μέτρησης.

Παρακολουθήστε την ιστορική συνεδρίαση του ΒΙΡΜ και την τελική ψηφοφορία:

Πηγές: www.nist.gov – www.npl.co.uk– en.wikipedia.org

Ετικέτα: