Το κιλό πέθανε. Ζήτω το κιλό!

Posted on 19/05/2019

0


Ένας κύλινδρος από κράμα λευκόχρυσου-ιριδίου, ύψους και διαμέτρου 39 mm, που φυλάσσεται «με ευλάβεια» εδώ και 130 χρόνια στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στις Σέβρες, έξω από το Παρίσι δεν είναι πλέον το πρότυπο της μάζας του ενός κιλού ή χιλιογράμμου (kg). Τώρα η ίδια η φύση μας παρέχει τον νέο ορισμό του ενός κιλού.

Αύριο, 20 Μαΐου του 2019, οι ορισμοί των θεμελιωδών μονάδων μέτρησης αλλάζουν επισήμως. Στο εξής θα καθορίζονται από τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές ή τις ατομικές ιδιότητες και όχι από ανθρώπινες κατασκευές, όμως ο κύλινδρος που όριζε το ένα κιλό.

Ενώ οι ορισμοί μονάδων μέτρησης, όπως π.χ. το ένα μέτρο έχουν αντικατασταθεί εδώ και πολλά χρόνια, το χιλιόγραμμο αποδείχθηκε η πιο δύσκολη μονάδα όσον αφορά τον καθορισμό με απόλυτους όρους.

Ο κύλινδρος από κράμα λευκόχρυσου-ιριδίου, του οποίου η μάζα όριζε την μάζα του ενός χιλιογράμμου, κατά την διάρκεια της ζωής του εκτιμάται πως έχασε περίπου 50 μικρογραμμάρια. Ένας επιπλέον λόγος που έκανε επιτακτική την ανάγκη εύρεσης ενός καλύτερου ορισμού.

Τώρα αντί ενός συγκεκριμένου κομματιού από μέταλλο που βρίσκεται στα περίχωρα του Παρισιού, το ένα χιλιόγραμμο ορίζεται συναρτήσει μιας θεμελιώδους σταθεράς της φύσης, της σταθεράς του Planck. Η σταθερά αυτή εμφανίζεται στην εξίσωση που υπολογίζει την ενέργεια ενός φωτονίου συναρτήσει της συχνότητάς του και συμβολίζεται με το γράμμα h. H τιμή της ορίζεται μέχρι τώρα ως 6.62607015·10-34 kg2·m/s, επομένως το χιλιόγραμμο (kg) θα μπορούσε να οριστεί συναρτήσει της σταθεράς h, του δευτερολέπτου (s) και του μέτρου (m). Δεδομένου ότι μέτρο και δευτερόλεπτο ορίζονται συναρτήσει φυσικών σταθερών, τότε και το χιλιόγραμμο ορίζεται μέσω θεμελιωδών φυσικών σταθερών.

Μπορεί κάποιοι να βρουν το νέο ορισμό του χιλιογράμμου περίπλοκο και δυσκολονόητο, όμως ο  Wolfgang Ketterle, βραβευμένος το Νόμπελ φυσικής το 2001, και καθηγητής Φυσικής στο MIT, δεν συμφωνεί. «Εννοιολογικά, ο ορισμός είναι πολύ απλός», λέει.

Ο Ketterle επισημαίνει ότι ο νέος ορισμός του ενός χιλιογράμμου αντιστοιχεί στη μάζα ενός συγκεκριμένου αριθμού σωματιδίων – έναν πολύ μεγάλο αριθμό σωματιδίων. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του ένα χιλιόγραμμο ισοδυναμεί με την μάζα 1,4755214·1040 φωτονίων (σωματίδια φωτός), συχνότητας 9192 631770 Hz (πρόκειται για την συχνότητα των φωτονίων που εκπέμπονται ή απορροφούνται στις μεταβάσεις μεταξύ των ενεργειακών σταθμών που θεωρούμε στο ατομικό ρολόι του  Καισίου-133 στον ορισμό του δευτερολέπτου. Τα φωτόνια αυτά έχουν μήκος κύματος περίπου 3,26 cm και ανήκουν στην μικροκυματική ακτινοβολία).

Όχι, δεν είναι ακριβώς αυτό που τοποθετεί ο κρεοπώλης σε μια ζυγαριά για να μετρήσει ένα κιλό βοδινού κρέατος, αλλά είναι αυτό που οι επιστήμονες και οι μηχανικοί σε όλο τον κόσμο – ακόμα και οι εξωγήινοι σε άλλους πλανήτες – μπορούν χρησιμοποιήσουν, χωρίς να χρειάζεται η μεταφορά του πρότυπου κιλού από το Παρίσι για ελέγξουν την ακρίβεια της μέτρησής τους.

Ο Ketterle θεωρεί αυτή την αλλαγή στις μονάδες μέτρησης, που θα επισημοποιηθεί στις 20 Μαΐου, ως μια διδακτική στιγμή, μια ευκαιρία να εξηγηθούν κάποιες βασικές αρχές στο ευρύ κοινό. Προτείνει μάλιστα, οι καθηγητές στα γυμνάσια και λύκεια να μιλήσουν στους μαθητές τους γι αυτή την ιστορική αλλαγή.

Ο ορισμός του χιλιογράμμου είναι λίγο πιο περίπλοκος σε σχέση με των άλλων θεμελιωδών μονάδων: το δευτερόλεπτο για παράδειγμα, ορίζεται ως ένας ειδικός αριθμός δονήσεων σε ένα άτομο καισίου. Το μέτρο, που δεν είναι πλέον μια μεταλλική ράβδος, ορίζεται ως η απόσταση που το διανύει το φως στο κενό σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, σε 1/ 299792458 του δευτερολέπτου.

Ο ορισμός του χιλιογράμμου διαμέσου της μάζας των φωτονίων πρέπει να αντιμετωπίσει το γεγονός ότι τα φωτόνια κινούνται συνεχώς με την ταχύτητα του φωτός και δεν είναι δυνατόν να τοποθετηθούν σε μια ζυγαριά! Αντ’ αυτού, μπορούν να παγιδευτούν μεταξύ δυο κατόπτρων, τα οποία σχηματίζουν μια «οπτική κοιλότητα» που τα περιορίζει. Στη συνέχεια η κοιλότητα και τα παγιδευμένα φωτόνια μπορούν να τοποθετηθούν σε μια ζυγαριά και να μετρηθούν. Η διαφορά μεταξύ της κοιλότητας με τα φωτόνια και της άδειας κοιλότητας παρέχει τη μάζα των φωτονίων. Αυτή είναι η ιδέα πίσω από την μέτρηση ενός κιλού σύμφωνα με τον νέο ορισμό. Όμως, το να μαζέψουμε 1040 φωτόνια δεν είναι πρακτικό, οπότε οι μετρήσεις γίνονται με έναν πολύ μικρότερο αριθμό και στη συνέχεια κλιμακώνονται βήμα-βήμα.

«Πως φτάνετε στα 1040; Δε μπορείτε» λέει ο Ketterle. «Ωστόσο, μπορείτε να το κάνετε με τη χρήση πολλαπλών βημάτων». Εξηγεί αυτή την διαδικασία χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των χρημάτων: «Αν κερδίσετε ένα εκατομμύρια δολάρια, και πληρωθείτε σε σεντς, δεν θα θέλατε να μετράτε σεντς. Αρχικά θα ανταλλάξετε τα σεντς σε δολάρια, και στη συνέχεια τα δολάρια σε εκατονταδόλαρα, και στη συνέχεια θα τα μετρήσετε.

Αυτή είναι στην ουσία η αρχή που χρησιμοποιείται για την μέτρηση μάζας. Στην μετρολογία, κάτι ανάλογο γίνεται με την σύγκριση της συχνότητας του ατομικού ρολογιού με άτομα καισίου, με μια πολύ υψηλότερη ατομική συχνότητα. Στη συνέχεια χρησιμοποιείτε αυτή τη συχνότητα για να μετρήσετε την μάζα του ηλεκτρονίου ή ενός απλού ατόμου και μόνο τότε θα αρχίσετε να μετράτε.

Στην πράξη, υπάρχουν σήμερα δυο γνωστές μέθοδοι μέτρησης τέτοιων μαζών με μεγάλη ακρίβεια. Αυτές είναι γνωστές ως ο ζυγός Kibble και η σφαίρα μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Και οι δυο είναι τεχνικές που τα εργαστήρια ανά τον κόσμο μπορούν να χρησιμοποιήσουν ώστε να παράξουν ένα ακριβές πρότυπο μάζας, χωρίς να απαιτείται η συσχέτιση των μετρήσεων με ένα συγκεκριμένο φυσικό αντικείμενο που φυλάσσεται σε κάποιο «μουσείο».

Ο ζυγός Kibble χρησιμοποιήθηκε αρχικά για να μετρηθεί η σταθερά του Planck με μεγάλη ακρίβεια. Αργότερα, όπως πρώτοι είχαν προτείνει οι Peter Mohr και Barry Taylor, ορίστηκε μια απόλυτη τιμή γι αυτή την παγκόσμια σταθερά … η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για τον ορισμό χιλιογράμμου. Μπορεί αυτό να φαίνεται σαν μια κυκλική διαδικασία, όμως μετακινεί την έννοια του ενός κιλού από το ανθρώπινο κατασκεύασμα που φυλάσσεται στο Διεθνές γραφείο Μέτρων και Σταθμών στις Σέβρες  σε μια αναλλοίωτη παγκόσμια σταθερά, την σταθερά του Planck.

H 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. Στον τρόπο με τον οποίο μετράμε την ένταση και την τάση του ηλεκτρικού ρεύματος διαμέσου των κβαντο-ηλεκτρικών φαινομένων Hall και Josephson, 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.

Tώρα που οι μονάδες ορίζονται σε απόλυτους όρους, καθώς θα αναπτύσσονται όλο και πιο ακριβέστερες μέθοδοι μέτρησης, η ακρίβεια αυτών των μετρήσεων θα βελτιωθεί αναλόγως, χωρίς να χρειάζεται να αναθεωρηθούν οι δοθέντες ορισμοί.

Οι νέοι ορισμοί έχουν μεγάλη δύναμη, λέει ο Ketterle, «επειδή κάθε νέα μέθοδος μέτρησης φωτονίων ή ατόμων ή μέτρηση συχνοτήτων θα βελτιώσει περαιτέρω τις μετρήσεις της μάζας, αφού η μάζα δεν συνδέεται πλέον με ένα ανακριβές ανθρώπινο κατασκεύασμα.

διαβάστε περισσότερα ΕΔΩ: https://news.mit.edu/2019/kilo-standard-change-0516 και ΕΔΩ: https://www.theverge.com/2018/11/13/18087002/kilogram-new-definition-kg-metric-unit-ipk-measurement

δείτε το βίντεο «How We’re Redefining the kg»: