Αναμένοντας το σημείο καμπής στους ορισμούς των μονάδων μέτρησης θυμόμαστε το SI και σκεπτόμαστε το μέλλον

Αύριο, 16 Νοεμβρίου 2018, θεωρείται ότι θα συμβεί η κορύφωση μιας διαδικασίας που άρχισε το 1875. Εκείνη τη χρονιά, αξιωματούχοι από 17 χώρες υπόγραψαν τη διεθνή Συνθήκη του Μέτρου, καθιστώντας το μετρικό σύστημα παγκόσμιο αντικείμενο. Αυτή η συνθήκη πέτυχε να δημιουργήσει το πρώτο κοινό σύστημα μέτρησης για το διεθνές εμπόριο και την παγκόσμια ανταλλαγή ιδεών. Η Συνθήκη του Μέτρου εισηγήθηκε ένα σύστημα που εξελίχθηκε κατά την πορεία του χρόνου, δημιουργώντας – το 1960 – το Διεθνές Σύστημα (SI). Λίγο μετά από αυτό, η διεθνής κοινότητα έκανε το πρώτο βήμα προς ένα σύστημα που πραγματικά βασίζεται σε θεμελιώδεις ιδιότητες της φύσης. Συμφώνησε ότι μια αμετάβλητη συχνότητα μικροκυματικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται και απορροφάται από ένα άτομο κεσίου θα μπορούσε να είναι η βάση όλων των μετρήσεων του χρόνου. Ένα ατομικό ρολόι θα αντικαταστήσει – μετά από αυτό – την ταλαντευόμενη κίνηση του πλανήτη μας για τον ορισμό του δευτερόλεπτου.

Η επόμενη αναθεώρηση για το SI συνέβη το 1983, όταν ο κόσμος συμφώνησε ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό – επίσης από ότι φαίνεται σταθερή και αμετάβλητη – θα χρησιμοποιηθεί ως βάση για όλες τις μετρήσεις του μάκρους. Τη χρονιά εκείνη, η Γενική Διάσκεψη Μέτρων και Σταθμών (Conférence Générale des Poids et Mesures ή CGPM) όρισε το μέτρο θέτοντας μια με ακρίβεια σταθερή τιμή της ταχύτητας του φωτός στο κενό (299.792.458 m/s), αναφέροντας «την εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων των μετρήσεων του μήκους κύματος στις ακτινοβολίες των λέιζερ». Έτσι το μέτρο ορίστηκε από την απόσταση που το φως ταξιδεύει σε μια ορισμένη πάρα πολύ μικρή χρονική διάρκεια. Ένας κανόνας φτιαγμένος από φως θα οδηγούσε σε απομάκρυνση από τη ράβδο του (ενός) μέτρου.

Όμως τι γίνεται με τη μάζα; Σήμερα υπάρχει ακόμη μια αληθής ποσότητα του χιλιόγραμμου με την οποία σχετίζονται όλες οι μετρήσεις μάζας στη Γη. Αυτή του κυλίνδρου από λευκόχρυσο και ιρίδιο – σχεδόν με το μέγεθος κεριού – που βρίσκεται ακόμη σε ένα θόλο στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (Bureau International des Poids et Mesures ή BIPM). Το Διεθνές Πρότυπο Χιλιόγραμμο (International Prototype Kilogram ή IPK) είναι τόσο πολύτιμο που χρησιμοποιείται μόνο περίπου μια φορά κάθε 40 χρόνια, για να βαθμονομεί τα υπόλοιπα πρότυπα μάζας του πλανήτη. Όμως ακόμη και με αυτή την προσεκτική μεταχείριση, η μάζα του Μεγάλου Κ (Le Grand K) – το ανεπίσημο όνομά του – μοιάζει να αλλάζει με το χρόνο.

Σχετικά με το SI

Το SI έχει επτά «βασικές» μονάδες – όπως το δευτερόλεπτο, το μέτρο και το χιλιόγραμμο – από τις οποίες μπορούν να παράγονται όλες οι άλλες μονάδες μέτρησης, όπως το βατ (Watt) και το βολτ (Volt). Οι βασικές [θεμελιώδεις] μονάδες καθορίζουν τις μετρήσεις του χρόνου, της απόστασης, της μάζας, του ηλεκτρικού ρεύματος, της θερμοκρασίας, του ποσού (των διακεκριμένων σωματίων) μιας ουσίας και της φωτεινής έντασης. Όπως αναφέρθηκε ήδη, ορισμένες από αυτές – όπως το δευτερόλεπτο και το μέτρο – τώρα βασίζονται σε θεμελιώδεις σταθερές της φύσης. Όμως οι άλλες – όπως οι μονάδες της μάζας και της θερμοκρασίας – συνδέονται ακόμη άμεσα κατά κάποιο τρόπο με φυσικά αντικείμενα.

Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες προσεκτικά μετρούν της σταθερές της φύσης με όρους των παλιών ορισμών του SI. Όμως αυτό έχει οδηγήσει σε παράξενες καταστάσεις. Για παράδειγμα, η σταθερά του Planck, μια ποσότητα που συσχετίζει την ενέργεια ενός σωμάτιου με τη συχνότητά του, μετρήθηκε στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας χιλιόγραμμο μάζας, που βαθμονομήθηκε από το IPK που βρίσκεται κοντά στο Παρίσι. Το IPK είναι ένα φυσικό αντικείμενο, που υπόκειται σε φθορά και σε επιδεκτικότητα στο να κερδίζει ή να έχει απώλεια μάζας οποτεδήποτε. Ακόμη, στο τρέχον SI, κάθε μέτρηση του IPK πρέπει πάντα να είναι ένα χιλιόγραμμο ακριβώς. Υπάρχει μηδέν επιστημονική αβεβαιότητα στη μέτρηση, επειδή το IPK προσδιορίζει ένα χιλιόγραμμο. Από την άλλη μεριά, μια θεμελιώδης φυσική «σταθερά», όπως η σταθερά του Planck – η οποία σύμφωνα με την βαθύτερη γνώση μας των νόμων που ισχύουν στο σύμπαν είναι αναλλοίωτη σε όλο το χρόνο και το χώρο – πάντα έχει ορισμένη αβεβαιότητα στην τιμή της λόγω των συνηθισμένων σφαλμάτων που σωρεύονται σε μια πειραματική μέτρηση.

Τώρα, οι επιστήμονες είναι έτοιμοι να αλλάξουν τα πράγματα μετά από δεκαετίες που αφιερώθηκαν στο να κάνουν, συνεχώς αυξανόμενης ακρίβειας και ορθότητας, μετρήσεις των θεμελιωδών σταθερών με βάση τις μονάδες του SI. Σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν ακριβώς, ορισμένες τιμές για τις σταθερές – όπως των Planck και Boltzmann – για να προσδιορίσουν όλες τις επτά βασικές μονάδες του SI. Αυτό το «σημείο καμπής» είναι η αποκορύφωση των ιδεών του 18ου αιώνα, ιδέας του Διαφωτισμού ότι οι φυσικοί νόμοι που διέπουν το σύμπαν – είτε τους γνωρίζουμε είτε όχι – είναι σταθεροί και μπορούν να παράσχουν μια πολύ περισσότερο αξιόπιστη βάση των μετρήσεων από ότι τα φυσικά αντικείμενα που μπορούμε να δούμε και να αγγίξουμε.

Το μέλλον

Ο κόσμος έφθασε σε ένα σημείο όπου οι επτά βασικές μονάδες του SI που επανακαθορίζονται, μπορούν τώρα να μετασχηματιστούν από τον ορισμό στη πρακτική πραγματικότητα χωρίς την ανάγκη για κανένα τύπο τεχνήματος, όπως το Μεγάλο Κ. Το αναθεωρημένο SI θα επαναπροσδιορίσει το χιλιόγραμμο, χρησιμοποιώντας μια σταθερή τιμή για τη σταθερά του Planck και χρησιμοποιώντας τους ορισμούς του μέτρου και του δευτερολέπτου, που ήδη βασίζονται σε σταθερές. Αυτή μόνο η αλλαγή στον ορισμό του χιλιόγραμμου θα εκδημοκρατίσει την ακρίβεια της μέτρησης, καθιστώντας το δυνατό να κάνει περισσότερο ακριβείς και ορθές επιστημονικές μετρήσεις παντού στον κόσμο (ακόμη και στο σύμπαν), χωρίς να χρειάζεται βαθμονόμηση σε ένα συγκεκριμένο τέχνημα. Με αυτό το σύστημα, θα μπορούμε να επικοινωνήσουμε τις βασικές μονάδες σε κατοίκους άλλων πλανητών σε άλλους γαλαξίες, που θα μπορούσαν να τα χρησιμοποιήσουν με την ίδια ακρίβεια όπως κάνουμε εμείς.

Το άμεσο αποτέλεσμα της αλλαγής αυτής δεν θα εντοπιστεί από τους καταναλωτές στις αγορές. Ένα χιλιόγραμμο ενός προϊόντος θα εξακολουθεί ακόμη να είναι το ίδιο ποσό προϊόντος όσον αφορά στη κλίμακα του supermarket. Η μεγαλύτερη αναμενόμενη αλλαγή θα υπάρξει πιθανώς για τους κατασκευαστές επιστημονικών οργάνων, ορισμένοι από τους οποίους μπορεί να χρειαστεί να προσαρμόσουν τα προϊόντα τους τα επόμενα χρόνια για να προσαρμοστούν στην μέθοδο του αναθεωρημένου SI για καλύτερο προσδιορισμό μονάδων μετρήσεων των ηλεκτρικών ποσοτήτων, όπως το ampere, το volt και το ohm.

Ένα άλλο βασικό πλεονέκτημα του αναθεωρημένου SI θα είναι η βελτίωση της δυνατότητας κλιμάκωσης για τις μετρήσεις. Όταν χρησιμοποιούμε φυσικά αντικείμενα για να μετρήσουμε πράγματα, η ακρίβεια μειώνεται σε μεγέθη πολύ μικρότερα ή μεγαλύτερα από το πρότυπό μας. Μια φαρμακευτική εταιρεία, για παράδειγμα, μπορεί να χρειάζεται να μετρήσει χημικά χημικές ουσίες για έρευνα σε νέα φάρμακα σε ποσότητες που είναι ένα εκατομμύριο φορές μικρότερες από ένα τυπικό χιλιόγραμμο. Ο νέος ορισμός του χιλιόγραμμου θα επιτρέπει πολύ καλύτερες μετρήσεις αυτών των μαζών στα επίπεδα των milligram και microgram.

Το αναθεωρημένο SI θα εφαρμοστεί 20 Μαΐου του 2019. Εάν εφαρμοστεί όπως αναμένεται, όλες οι μετρήσεις της μάζας – είτε μιας βλεφαρίδας ή ενός αεροπλάνου – θα μπορεί, εάν μετρηθούν με την ίδια τεχνολογία, να είναι εξίσου ακριβείς και ορθές. Εάν η ιστορία μπορεί να δείξει οποιαδήποτε ένδειξη για το μέλλον, το αναθεωρημένο SI είναι πιθανό να βοηθήσει να λυθούν μια ευρεία γκάμα μυστηρίων. Χρειαζόμαστε μόνο να κάνουμε την αλλαγή και να παρακολουθούμε την καινοτομία να ξεδιπλώνεται.

Πηγή: NIST

Σημείωση egno.gr: Θα επανερχόμαστε κατά καιρούς με σχετικά θέματα που σίγουρα θα είναι χρήσιμα για τους Δασκάλους και τους σπουδαστές.