Μια ιστορική ψήφος που συνδέει το χιλιόγραμμο και άλλες μονάδες με φυσικές σταθερές

Μετά από δεκαετίες ρηξικέλευθης επιστημονικής εργασίας από τα εθνικά ινστιτούτα μέτρησης (NMIs) από όλο τον κόσμο, οι εξουσιοδοτημένοι εκπρόσωποί τους ψήφισαν να επαναπροσδιορίσουν το χιλιόγραμμο και τρεις ακόμη βασικές μονάδες του SI: του ampere (ηλεκτρικού ρεύματος), του kelvin (θερμοκρασίας) και του mole (ποσού [των διακεκριμένων σωματίων] μιας ουσίας). Οι νέοι ορισμοί θα τεθούν σε ισχύ στις 20 Μαΐου του 2019, τη Ημέρα της Παγκόσμιας Μετρολογίας, κατά την οποία εορτάζεται η ίδρυση του SI ή μετρικού συστήματος, το 1875.

Η επιλογή αυτή θεωρείται ότι πραγματικά είναι ένα σημείο στροφής για την ανθρωπότητα. Μπορούμε τώρα να μετράμε τα πάντα με μεγαλύτερη ακρίβεια και πιο σωστά χρησιμοποιώντας τη γνώση του πώς λειτουργεί το σύμπαν σε ατομικό επίπεδο παρά από ότι μπορούμε χρησιμοποιώντας αντικείμενα που μπορούμε να δούμε και να αισθανθούμε. Λεπτομερέστερα στοιχεία σε προηγούμενες δημοσιεύσεις [1], [2]του egno.gr.

Επί του παρόντος, υπάρχει μόνο ένα αληθές χιλιόγραμμο, γνωστό ως το Μεγάλο Κ, το οποίο είναι προστατευμένο σε ένα θόλο σε προάστιο έξω από το Παρίσι και χρησιμοποιείται για να βαθμονομούνται όλες οι μετρήσεις μάζας παντού στον κόσμο. Κατασκευασμένο από κράμα λευκόχρυσου και ιριδίου, το Μεγάλο Κ, όπως κάθε κράμα μπορεί να αλλάζει κατά τη διάρκεια του χρόνου απορροφώντας μόρια από τον αέρα ή χάνοντάς τα λόγω του καθαρισμού του. Ωστόσο, ακόμη και αυτές οι απίστευτα μικρές αλλαγές σημαίνουν ότι αυτό το τέχνημα μακροπρόθεσμα δεν είναι αρκετά ακριβές για να ανταποκριθεί στις μελλοντικές προηγμένες έρευνες και τεχνολογικές εφαρμογές.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 40 χρόνων, με την ανάπτυξη της κβαντικής επιστήμης, οι επιστήμονες έχουν πλέον μετρήσει φυσικές σταθερές όπως η ταχύτητα του φωτός και η σταθερά του Planck με εξαιρετική ακρίβεια. Χρησιμοποιώντας συνδυασμούς αυτών των σταθερών και τις εξισώσεις της κβαντομηχανικής, οι επιστήμονες δημιούργησαν αναπροσδιορισμένες μονάδες SI για τη μέτρηση της μάζας, του ηλεκτρικού ρεύματος, της θερμοκρασίας και του ποσού μιας ουσίας, που είναι τουλάχιστον ένα εκατομμύριο φορές περισσότερο σταθερές από ότι τεχνήματα όπως το Μεγάλο Κ.

Κβαντικά πλεονεκτήματα

Οι επιστήμονες ονειρεύτηκαν να έχουν ένα ακριβές και ορθό σύστημα μέτρησης που θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί οποτεδήποτε, οπουδήποτε, από τις αρχές του 18ου αιώνα. Οι επιστημονικές πρόοδοι στη κβαντική επιστήμη, πολλές από τις οποίες συνέβησαν στα NMIs όλου του κόσμου, έχουν τελικά καταστήσει αυτό το όνειρο δυνατό.

Τα κβαντικά φαινόμενα που είναι παρόμοια οπουδήποτε, ήδη χρησιμοποιούνται για τον επαναπροσδιορισμό του δευτερολέπτου, που στο SI είναι η μονάδα για το χρόνο και του μέτρου , που στο SI είναι η μονάδα για την απόσταση. Το δευτερόλεπτο επανακαθορίστηκε ως 9.192.631.770 φυσικές ταλαντώσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας που απελευθερώνεται από το στοιχείο κέσιο και το μέτρο επανακαθορίστηκε ως η απόσταση που διανύεται από το φως στο κενό σε 1/299.792.458 του δευτερολέπτου. Αυτοί οι αναθεωρημένοι ορισμοί, που εφαρμόστηκαν το 1967 και το 1983, αντίστοιχα, ήταν απαραίτητοι για την εφεύρεση του GPS και πολλών άλλων σύγχρονων τεχνολογιών.

Το Μάιο του 2019 όταν ο αναθεωρημένος ορισμός του χιλιόγραμμου εφαρμοστεί, θα βασίζεται σε τρεις θεμελιώδεις [βασικές] σταθερές: τη σταθερά του Planck, την ταχύτητα του φωτός και τη φυσική μικροκυματική ακτινοβολία του ατόμου του κεσίου. Η σταθερά του Planck περιγράφει το μέγεθος των πακέτων ενέργειας ή των κβάντα που τα άτομα και άλλα σωμάτια χρησιμοποιούν για να απορροφούν ή να εκπέμπουν ενέργεια.

Η μάζα του τωρινού χιλιόγραμμου ασκεί ένα συγκεκριμένο ποσό επίδρασης (δύναμης), στο πλαίσιο της βαρύτητας της Γης. Ο αναθεωρημένος ορισμός αντικαθιστά αυτόν τον προσδιορισμό της μηχανικής δύναμης με μια ηλεκτρομαγνητική μέτρηση που είναι δεμένη με τη σταθερά του Planck και βασίζεται στο ηλεκτρικό ρεύμα και διαφορά δυναμικού. Χρησιμοποιώντας ένα όργανο που ονομάζεται ζυγός Kibble, από τον εφευρέτη του Bryan Kibble, ένα ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείται σε ένα πηνίο για να παραγάγει ένα μαγνητικό πεδίο αρκετά ισχυρό για να ισορροπήσει μια μάζα ενός χιλιόγραμμου. Η μέθοδος απαιτεί ακριβή μέτρηση της τοπικής βαρύτητας, η οποία μεταβάλλεται με την ανύψωση και διάφορους άλλους παράγοντες. Επίσης απαιτεί κίνηση του πηνίου μέσα σε μαγνητικό πεδίο γνωστής έντασης και με γνωστή ταχύτητα, επομένως τη σύνδεση επίσης με τις σταθερές που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του χρόνου και της συχνότητας.

Με παρόμοιο τρόπο, η μονάδα ampere του SI τώρα θα βασίζεται στη σταθερά για το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η μονάδα kelvin θα βασίζεται σε μετρήσεις στο κβαντικό επίπεδο της ατομικής κίνησης και θα συνδέεται με τη σταθερά του Boltzmann που συσχετίζει την ενέργεια ενός αντικειμένου με τη θερμοκρασία του, καθώς επίσης με τις σταθερές Planck και της συχνότητας του κεσίου, ενώ το mole θα βασίζεται σε μια βελτιωμένη τιμή για τη σταθερά του Avogadro.

Οι δυο τομείς της βιομηχανίας που πιθανώς θα ωφεληθούν ταχύτερα από τους επαναπροσδιορισμούς είναι αυτοί των ηλεκτρονικών και των φαρμακευτικών. Η τωρινή μονάδα ampere του SI είναι ανεφάρμοστη για να υλοποιηθεί, με αποτέλεσμα οι ακριβείς ηλεκτρικές μετρήσεις πρέπει να βασίζονται για 30 χρόνια σε κβαντικές μετρήσεις, όπως το κβαντικό φαινόμενο Hall και οι επαφές Josephson που δημιουργούν κβαντική διαφορά δυναμικού. Η αλλαγή της μονάδας τοποθετεί τις ηλεκτρικές μετρήσεις πίσω στο SI όπου γίνονται όλες οι άλλες μετρήσεις.

Οι φαρμακευτικές εταιρείες μετρούν τώρα μάζα σε μικρογραμμάρια, που είναι μόνο ένα δισεκατομμυριοστό του χιλιόγραμμου. Μόλις το χιλιόγραμμο επαναπροσδιορίζεται με κβαντικούς όρους, αυτές οι εταιρείες κερδίζουν μια μονάδα μέτρησης που είναι ομαλά κλιμακούμενη προς τα κάτω στο επίπεδο που χρειάζεται για καλύτερο σχεδιασμό και μελέτη φαρμάκων, με πολύ λιγότερη αβεβαιότητα. Αυτή η δυνατότητα για μεγαλύτερης ακρίβειας κλίμακα μετρήσεων, από το κβαντικό επίπεδο μέχρι τα πολύ μεγάλης μάζας μεγέθη των γαλαξιών, είναι το βασικό πλεονέκτημα επίσης για τις άλλες νεο-επαναπροσδιορισθείσες μονάδες SI με βάση τις φυσικές σταθερές.

Πηγή: NIST