سیستم آحاد متریک
سیستم آحاد متریک
اخیراً در 26 مین نشست کنفرانس عمومی درباره آحاد در سیستم متریک مبنا های جدیدی برای تعریف هریک از آحاد اساسی پیشنهاد گردیده که پس از تصویب از 20 ماه می 2019 میلادی اجرائی گردد. مهمترین یکاهای اساسی را برای طول و جرم و زمان از قدیم میشناخته ایم که در سیستم متریک عبارتند از متر، کیلوگرم، و ثانیه (mks). البته بعدها، بعلت نیاز، برای شدت جریان الکتریکی، شدت روشنائی، درجه حرارت، و مقدار مادّه واحدهای مناسب برای آنها تعریف شده و همه را یکجا تحت عنوان سیستم بین المللی آحاد (SI) در سال 1960 میلادی ارائه گردید. حال سوأل اینجاست که چه لزومی برای این بازنگری وجود دارد؟ مگر متر یا کیلوگرم عوض شده است که تعریف مجدد برای آنها ارائه دهیم. پاسخ یک جمله است: علاقه براینست که مبنای تعریف حتی الامکان دقیقتر و جامعتر بوده و از ثابت های طبیعی سرچشمه گرفته باشد. والا متر همان سنجه ای است که همچنان در اداره اوزان و مقیاسات پاریس نگاهداری میشود.
از دیدگاه تاریخی همواره به یک سیستم یکدست از آحاد برای امور بازرگانی و علمی نیاز بوده است. مثلاً در کشور ما واحدی بنام "من" جهت توزین وجود داشت که در واقع همان "من تبریز" بوده و برابر 40 سیر یا حدود 3 کیلوگرم است. اما چند "من" دیگر در شهرستانها وجود داشت مثل "من ری" که 4 برابر من معمولی بود. متشابهاً کشورهای همجوار واحدهای سنتی خود را داشتند که هنگام مبادله کالا با ما موجب دوگانگی و مزاحمت میشد. از این بدتر، واحد سنتی طول یعنی وجب بود که طبعاً وجب هرکس وجبی دیگر بود. این تفاوتها نه تنها موجب آشفتگی بازار میشد بلکه اصولاً مبنای درست و ثابتی نیز برای بیان و تعریف آنها وجود نداشت. سابقاً، و نه در گذشته خیلی دور، در برخی شهرستانها و روستاها مشاهده میشد که کسبه از پاره سنگ بعنوان سنجه خود استفاده میکردند و مشتریان نیز لاجرم و به اجبار به تعریف آنها احترام گذاشته دم بر نمیآوردند. با گسترش بیشتر مبادلات بازرگانی و فرهنگی، لزوم یکدست سازی بیش از پیش حس میشد. اولین تلاش جدی از این دست، در بحبوحه انقلاب کبیر فرانسه به ثمر نشست و دانشمندان واحد طول را کسری از نصف النهار مارّ بر پاریس اختیار کردند که بزودی یک میلیونیم خط استوا جایگزین آن شده متر نام گرفت. با تعریف سایر یکاهای اصلی سیستم متریک (mks) شکل گرفت. در این سیستم، روش اعشاری یا دهدهی هم گنجانیده شد که یادگار آن دوران است و چنان شور این سیستم در روح و جان دانشمندان فرانسوی دمیده شده بود که بازه های زمانی را نیز دهدهی کرده و سنت هفته را برانداختند. در عوض، ماه مرکب از 3 دهه بود و هر روز نامی مخصوص داشت. البته مردم این ابتکار اخیر را برنتابیدند و پس از مدتی دوباره همان رسم قدیم هفته بجای خود برگشت. شاید کم شدن تعطیلات مرسوم بی اثر نبود. در هر حال گاه گاهی بازنگری هائی میشد تا در سال 1960 مبنای جدیدتری برای یکاهای اصلی ارائه شد. مثلاً مبنای جدید برای تعریف متر (همان سنجه فلزی که در موزه نگاهداری میشود) اینبار طول موج نارنجی کریپتون بوده است و متر 1650736.73 برابر آن طول موج خاص مقرر گردید. فلسفه این کار اینست که بنا را بر یک امر ثابت تری بگذاریم چه اینکه کره زمین کره کامل نیست و اندازه طول نصف النهار با استوا یکی نیست، ضمن اینکه با کند شدن تدریجی حرکت وضعی زمین در طی میلیونها سال، محیط استوای زمین اندکی کوچکتر میشود. لذا در این تغییر مبنا، فرض براین بوده که طول موج خطوط طیف نشر شده گازها پدیده ای ثابت در گذر زمان است و بهتر است بر چنین پدیده هائی که ثابت یا دستکم کمتر دستخوش تغییرند تعاریف بنا شود. در آن قرارداد، واحد زمان ثانیه است و برابر 1 قسمت از 31566925.9747 قسمت طول سال 1900 میلادی مقرر گردید. وضع یکای جرم کمی بغرنج تر بود زیرا پدیده ای طبیعی و ثابت که با آن مقایسه کنند نیافته و در عوض استوانه ای از آلیاژ طلای سفید و ایریدیوم ساخته و آنرا کیلوگرم نامیدند. از این سنجه اصلی چندین نمونه کپی ساخته و در اختیار کشورهای دیگر برای سنجه ملی قرار گرفت. گویا شنیده شده که در مرور زمان و احتمالاً ناشی از هوازدگی، جرم یکی از اینها بمقدار کسری از میکروگرم تغییر کرده است. اما یکی از مشکلات کار اینست که ثابت فیزیکی مورد نظر میبایست با دقت بسیار زیادی اندازه گیری شده باشد تا لیاقت انتخاب برای مبنا قرار دادن را یافته باشد. خوشبختانه در فاصله بیش از نیم قرنی که گذشته است اغلب ثابت های جهانی در فیزیک با دقت خیلی زیادی اندازه گیری شده و موقعیتی فراهم شده تا بار دیگر مبناها را تغییر داده به ثابت های جهانی تمسک کنیم. در طبیعت تعداد انگشت شماری کمیت های ثابت داریم موسوم به ثابت جهانی. بعنوان مثال یکی از اینها سرعت نور در خلاء است. طبق قرارداد 1960، اندازه سرعت نور برابر است با 299792.5 کیلومتر بر ثانیه است در حالیکه از آن تاریخ به بعد نه تنها سرعت نور بلکه سایر ثوابت فیزیکی را با دقت خیلی بیشتری مجدداً اندازه گیری شده است. مثلاً اندازه گیری جدید سرعت نور که با دقت 9 رقم با معنی صورت گرفته برابر 299792458 متر بر ثانیه میباشد. برای مشاهده پیش نویس بازتعریف جدید یکاها میتوانید به منبع اصلی یعنی Draft Resolution A- 26th meeting of the CGPM (13-16 November 2018 مراجعه کنید.
بطور خلاصه، مقدار دقیق (با دستکم 9 رقم با معنی) ثابت های فیزیکی که اینبار مبنای تعریف یکاهای اصلی قرار گرفته بشرح زیر است:
1- خط طیفی فوق ریز سزیوم-133 در تراز پایه خود دارای فرکانس 9192631770 سیکل بر ثانیه است.
2- سرعت نور در خلاء برابر 299792458 متر بر ثانیه است.
3- ثابت پلانک برابر 6.62607015 * 10-34 ژول ثانیه میباشد.
4- بار الکتریکی الکترون برابر 1.602176634 * 10-19 کولون میباشد.
5- ثابت بولتزمان برابر 1.380649 * 10-23 ژول بر درجه کلوین است.
6- پایای آووگادرو برابر 6.02214076 * 1023 میباشد.
7- مقدار تابندگی برای تابش تکرنگی با فرکانس 540 * 1012 سیکل بر ثانیه برابر 683 لومن بر وات است.
از این 7 پایای فیزیکی، 7 یکای اصلی بشرح زیر استخراج میشود:
ثانیه، متر، کیلوگرم، آمپر، کلوین، مول، و کاندلا.
مثلاً در تعریف واحد زمان میگوئیم، واحد زمان ثانیه نام دارد و آن برابر آنقدر گذشت زمان باشد که تعداد نوسانات فلان خط سزیوم-133 برابر 9192631770 بار بوده باشد. در تعریف واحد طول، با توجه به تعریف واحد زمان که الان گفتیم، میگوئیم واحد طول متر نام دارد و آن آنقدر مسافتی است که اگر نور در خلاء بمدت 1 ثانیه طی کند، یک قسمت از 299792458 قسمت آن را یک متر نام میگذاریم. متشابهاً باقی یکاها هریک بترتیب از ثابت مربوطه استخراج میشود. نکته جالب در مورد کیلوگرم است که در قراردادهای قبلی آمده بودیم یک استوانه با آلیاژ مشخص با یک توده دلبخواه را مقرر کردیم واحد باشد و اسمش را گذاشتیم کیلوگرم. اکنون تغییری در این جرم خاص نمیدهیم (همانطور که در دو یکای قبلی ندادیم) بلکه فقط مبنای تعریف آن را بر روش نظام مندی مستقر میکنیم که تکرار پذیر بوده در طول زمان عوض نشود. جرم در ثابت پلانک مستتر است زیرا ژول واحد کار و انرژی است که خود حاصلضرب نیرو در فاصله است و لذا دارای دیمانسیون کیلوگرم*مجذور متر *عکس مجذور ثانیه است. لذا عدد پلانک برحسب واحد کیلوگرم*مجذور متر*عکس ثانیه بوده و از آنجا که در دو سطر پیشین، ثانیه و متر را تعریف کرده ایم اکنون واحد کیلوگرم از روی عدد پلانک استخراج میشود. چهار یکای اصلی باقیمانده بهمین ترتیب یک به یک از بالا به پائین تعریف میگردد که بهتر است به متن اصلی مراجعه شود. مجدداً تأکید میشود که در این بازنگری یکاهای سابق تعریف شده را تغییر نداده و نخواهیم داد بلکه مبنای تعریف را دقیقتر و جهان شمول تر کرده ایم. بعنوان مثال اگر "وجب" یکای طول ما باشد، آنرا از دلبخواه بودن و اینکه پنجه یک غول باشد یا یک بچه کوچک خارج کرده و آنرا بخشی از مسافتی که نور در یک ثانیه در خلاء طی میکند مقرر کرده ایم. چون سرعت نور ثابت است، بنابراین هیچگاه در مقدار آن مناقشه ای نخواهد بود و حجم آبی به میزان "3 وجب مکعب" همواره در سرتاسر گیتی یک اندازه خواهد بود.
بالاخره، در انتها باید خاطرنشان ساخت که موضوع فیزیک، موضوع اندازه گیری هاست و حول و حوش کمیّات است و نه صرفاً کیفیات. فیزیک و بطور کلی علم، از هنگامی رو به ترقی رفته است که بحث ها از حالت کیفی بسمت کمّی میل کرده است و لذا موضوع اندازه گیری نهایت اهمیت را در این ارتباط داراست. فصل اول هر اندازه گیری آشنائی با یکاهاست و لذا به دانش دوستان عزیز توصیه میشود مبحث مربوطه را با عمق بیشتری فرا گیرند. ضمناً ناگفته نماند، موضوع بحث حاضر بنا به درخواست یکی از خوانندگان این وبگاه بوده است که تقاضای اظهار نظر ما را کرده اند. حقیقت آنست که ما چه اظهار نظری میتوانیم بکنیم؟ مادام که ما خود دستی در ارکان علم نداشته و مصرف کننده صرف باشیم چه میتوانیم بگوئیم جز آنکه فقط نظاره گر باشیم؟ مکرر با همکاران دانشگاهی صحبت داشته ایم که دستکم دانشجویان فیزیک، برای یادگیری هم که شده، یکی از ثابت های فیزیک را اندازه بگیرند. چه اشکال دارد پایای گرانش را که 300 سال پیش با وسایل ابتدائی اندازه گیری شده ما هم امروز اندازه بگیریم؟ یا بار الکتریکی الکترون؟ چه اشکال دارد رابطه کار مکانیکی با حرارت توسط ابزارهائی که خودمان ساخته ایم مجدد اندازه گیری شود؟ چه اشکال دارد کاری که یک خانم دانشمند صد و اندی سال پیش در یک آزمایشگاه نمور آنهم با وسایل ابتدائی کرد و مقداری رادیوم را از اورانیوم طبیعی استخراج کرد ما تکرار کنیم؟ و خیلی کارهای بنیادی دیگری که هزینه زیادی نیز طلب نمیکند ولی در آموزش دانشجویان تأثیر بسزائی دارد. و چرا در زمینه هائی که دیگران کار نکرده اند کوشش نکنیم؟ چه اینکه اغلب تحقیقات ما جز تکرار و دنباله روی دیگران نیست. البته تکرار برای یادگیری دانشجو خوبست ولی نه بعنوان تولید دانش روز در بنگاه های تحقیقاتی! ما وقتی میتوانیم اظهار نظر کنیم که تحقیقات مستقل خود را داشته باشیم و نه تقلید. گویا این قبیل خواسته ها خریدار ندارد زیرا بکار تبلیغات که در رأس امور است نمیآید. امید که نسل جوان دانش پژوه نظری متفاوت داشته باشد. ضمناً آدرس سایت منبع اصلی مورد اشاره بشرح زیر است:
https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM/Draft-Resolution-A-EN.pdf
