پایان مناقشه کیلوگرم و تعریفی جدید از آن

سرانجام پس از سال ها مناقشه دوران سلطنت استوانه کیلوگرم به سر آمد و یکی از دیرپاترین مسئله های باز فیزیک سرانجام حل شد. پاییز گذشته در مرکز کنفرانس کوچکی واقع در چند قدمی کاخ ورسای، چندین دانشمند به نمایندگی از 58 کشور به عزل Le Grand K رای دادند و کیلوگرم را از نو تعریف کردند. این رای گیری در واقع به یک رویای قرن نوزدهمی تحقق بخشید و از این پس، هر 7 واحد سیستم بین المللی واحدها که با علامت اختصاری S.I شناخته می شود، به جای اینکه با اجسام مادی تعریف شوند، تنها بر اساس ثابت های انتزاعی طبیعت تعریف خواهند شد.

در این مقاله شما می توانید با دلایل و روش تعریف جدید کیلوگرم آشنا شوید.

ماجرای سیستم بین المللی واحدها به اواخر قرن نوزدهم بر می گردد و تنها با دو واحد متر و کیلوگرم آغاز شد. ایده اصلی این حرکت، استاندارد کردن واحدهای پایه برای تجارت و اندازه گیری های علمی بود. در واقع برای اینکه یک کیلوگرم سکه طلا در همه جای دنیا ارزش یکسانی داشته باشد، همگان باید بر تعریف دقیقی برای یک کیلوگرم توافق می کردند.

این ایده به شکل گیری پیمانی موسوم به «معاهده متر» در پاریس منجر شد که برای کیلوگرم و متر، استانداردهای بین المللی تعیین کرد. به این ترتیب کیلوگرم بر اساس Le Grand K و متر بر اساس مسافت میان دو خراش روی یک میله فلزی توخالی از جنس آلیاژ پلاتینیم – ایریدم تعریف شد. مقرر شد هر دو واحد استاندارد متر و کیلوگرم به صورت مهر و موم و تحت تدابیر شَدید امنیتی در اداره بین المللی اوزان و اندازه ها در فرانسه نگهداری شود و نسخه هایی از آنها نیز در میان کشورها توزیع شد.

همه که خیال می کردند این یکسان سازی برای تمام دوران ها و نسل ها کفایت خواهد کرد، نفس راحتی کشیدند، اما اینطور نبود. یک جسم فیزیکی می تواند خراش بردارد، لب پَر شود یا به کلی از بین برود؛ حتی اگر برای محافظت از آن تمام تلاش تان را بکنید، باز هم ممکن است چند اتم از دست بدهد یا جذب کند.

حقیقت گم شده

در سال 1990 اندازه شناسان کشف کردند که Le Grand K بطور اسرارآمیزی در مقایسه با شش نسخه رسمی که از روی آن ساخته شده بود، 50 میکروگرم (هزارم گرم) سبک تر است. استاندارد کیلوگرم به دردسری بزرگ افتاد و معلوم نبود کدام شان کیلوگرم واقعی است. ماموریت برای بازتعریف آن آغاز شد.

در طول این سال ها دو امکان مطرح شد؛ اندازه گیری دقیق جرم یک کیلوگرم برحسب نیروی الکترومغناطیس لازم برای بلند کردن آن، یا برحسب تعداد مشخص اتم های داخل جرم آن. اما هیچ یک از این دو تعریف نمی توانستند کیلوگرم را به ثابت های بنیادی متصل کنند. در ادامه، این اتصال در قالب ثابتی به نام ثابت پلانک ظاهر شد که طول موج میکروسکوپی نور را به انرژی فوتون های منفرد نور تبدیل می کند. اما تنها از طریق آزمایش های مناسب می شد اعداد مورد توافقی برای این ثابت بدست آورد.

یک روش دیگر بازتعریف کیلوگرم از کوششی سرچشمه گرفت که در ابتدا برای بازنگری در آمپر، واحد اندازه گیری جریان الکتریکی، آغاز شد. در سال 1975 از برایان کیبل (Bryan Kibble) فیزیکدان آزمایشگاه ملی فیزیک در لندن، خواسته شد تا کار بسیار دشوار بهسازی ابزاری موسوم به ترازوی آمپر را به عهده بگیرد. این وسیله می توانست جریان الکتریکی را برحسب وزن اندازه گیری کند، اما به هیچ وجه دقیق نبود. کار با آن دستگاه مثل سر و کله زدن با شیطان بود.

کیبل به فکر ساخت دستگاه دیگری افتاد، دستگاهی که پس از مرگش به ترازوی کیبل مشهور شد و در طراحی آن بسیاری از منابع عدم دقت و خطای دستگاه اولیه ترازوی آمپر حذف شده بود. در همان سال ها، فیزیکدانان دو اثر مکانیک کوانتومی جدید را کشف کردند که عملاً ثابت پلانک را به ولتاژ و مقاومت الکتریکی ربط داد. به این ترتیب ابزار کیبل که به عنوان وسیله ای برای اندازه گیری جریان الکتریکی برحسب وزن اختراع شده بود، سهواً بوسیله ای برای اندازه گیری ثابت پلانک تبدیل شد. در نتیجه ثابت پلانک با دقت بی نهایت زیادی اندازه گیری شد و همگان بر مقدار آن توافق کردند. حالا کافی بود ترازوی کیبل درست عکس چیزی که برای آن طراحی شده بود، عمل کرده و کیلوگرم را برحسب الکترومغناطیس تعریف کند.

پروژه آووگادرو

همزمان با کوشش های کیبل اما هزار کیلومتر دورتر، هورست بتین (Horst Bettin) فیزیکدان موسسه ملی اندازه شناسی در آلمان، تلاش می کرد به شیوه ای کاملاً متفاوت و بر اساس شمارش اتم ها، کیلوگرم را بازتعریف و واقعی کند. بتین دریافته بود که اگر بتواند یک بلور از جنس سیلیکون بسازد که به شکلی استثنایی بی نقص باشد – بی نهایت خالص، کروی و دارای یک ساختار اتمی منظم – و وزن آن دقیقاً یک کیلوگرم باشد، آن وقت با شمارش اتم های آن بر اساس واحد مول اساساً موفق می شود کیلوگرم را برحسب تعداد مشخصی از اتم های سیلیکون تعریف کند؛ رویکردی که می توانست بسیار ساده تر از سر و کله زدن با ثابت پلانک باشد. در عمل بتین آزمایشی را ترتیب داده بود که می توانست ثابتی موسوم به عدد آووگادرو را بطور دقیق اندازه گیری کند. عدد آووگادرو ثابتی است که معلوم می کند در یک مول از هر ماده چه تعداد ذره مانند الکترون، اتم، یون یا مولکول وجود دارد.

نکته جذاب ماجرا این است که ثابت پلانک و عدد آووگادرو در قوانین فیزیک به شکلی حیاتی به یکدیگر گره خورده اند. بتین با اندازه گیری ثابت آووگادرو توانست ثابت پلانک را بدست آورد و با یک مقدار دقیق برای ثابت پلانک موفق شد نتایج کارهای کیبل را تایید کند و برعکس. با وجود موفقیت های کیبل و بتین، دانشمندان نتوانستند کیلوگرم را از نو تعریف کنند تا اینکه موفق شدند برای ثابت های پلانک و آووگادرو تا 7 رقم اعشار پاسخ یکسانی استنتاج کنند. البته منظور اندازه شناسان از اندازه گیری در واقع یک تخمین بسیار دقیق است. مقدار حقیقی را اساساً تنها می توان تخمین زد و عدد مطلق آن را تنها خود جهان می داند.

نهایی شدن این کار 20 سال طول کشید. در سال 2008 آزمایشگاه ملی فیزیک انگلستان برنامه پژوهشی ترازوی کیبل را متوقف کرد و ابزار ساخته شده توسط او به شورای پژوهش ملی کانادا فروخته شد. در سال 2014 دو ترازوی کیبل یکی در موسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا و دیگری در شورای پژوهش ملی کانادا، اعدادی را برای ثابت های پلانک و آووگادرو تولید کردند که با نتایج تحقیقات و کارهای بتین همخوانی داشت. این به راستی یک معجزه بود؛ چرا که این دو ثابت کاملاً متفاوت هستند و هیچ چیز مشترکی میان آنها وجود ندارد. با اجماعی که در کنفرانس 2018 در مورد مقادیر ثابت های پلانک و آووگادرو بدست آمد، سرانجام کیلوگرم از قید تجسم زمینی آزاد شد و استوانه Le Grand K به یار قدیمی اش، میله استاندارد متر، در آرشیو اندازه شناسی پیوست.

این بازتعریف، کیلوگرم را دقیق تر نمی کند؛ بلکه آن را پایدارتر می سازد. البته این تغییری است که اثر آن در مرزهای علم و فناوری احساس خواهد شد و در دنیای روزمره چیزی تغییر نخواهد کرد. تعریفی که بر اساس ثابت ها باشد، دست کم به لحاظ نظری، این امکان را به هر کسی در هر جای جهان می دهد که مقدار دقیق کیلوگرم را اندازه گیری کند، اما تا پیش از این، این امکان تنها در اختیار کسانی بود که به محل نگهداری نمونه مرجع در فرانسه دسترسی داشتند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «پایان مناقشه کیلوگرم و تعریفی جدید از آن»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش کیوان فیض اللهی در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.