SI μονάδες μέτρησης (Διεθνές Σύστημα Μονάδων): μια νέα αναθεώρηση των προτύπων Understand article

Σε μια αναθεώρηση που χρησιμοποιεί τις πιο πρόσφατες επιστημονικές έρευνες, όλες οι βασικές μονάδες SI…

Ενώ οι ΗΠΑ παραμένουν επίμονες όσον αφορά τη χρήση μονάδων όπως τα μίλια, οι λίβρες και οι βαθμοί Φαρενάιτ, ο περισσότερος κόσμος έχει συμφωνήσει ότι η χρήση μονάδων που διαιρούνται με το δέκα είναι μια καλύτερη ιδέα. Το μετρικό σύστημα, γνωστό και ως Διεθνές Σύστημα Μονάδων (ή μονάδες SI), είναι το πιο ολοκληρωμένο και ακριβές σύστημα μέτρησης του Σύμπαντος που έχουν αναπτύξει οι άνθρωποι, αποτελούμενο από τις επτά βασικές μονάδες για το μήκος, τη μάζα, το χρόνο, τη θερμοκρασία, το ηλεκτρικό ρεύμα, τη φωτεινότητα και την ποσότητα.

Δεδομένου ότι το μετρικό σύστημα δημιουργήθηκε στη δεκαετία του 1790, οι επιστήμονες προσπάθησαν στη συνέχεια να δώσουν όλο και πιο ακριβείς ορισμούς για αυτές τις μονάδες. Ορισμένοι αναθεωρημένοι ορισμοί πρόκειται τώρα να εισαχθούν για τέσσερις από αυτές τις μονάδες – το χιλιόγραμμο (kg), το κέλβιν (K), το αμπέρ (A) και το γραμμομόριο (M) – φέρνοντας τες στην ίδια γραμμή με τις άλλες μονάδες παρέχοντας ορισμούς που βασίζονται σε φυσικές σταθερές. Οι νέοι ορισμοί θα υιοθετηθούν διεθνώς κατά την Παγκόσμια Ημέρα Μετρολογίας, στις 20 Μαΐου του 2019. Μετά από αυτή την αναθεώρηση, κάθε βασική μονάδα στο μετρικό σύστημα θα καθορίζεται χρησιμοποιώντας τις θεμελιώδεις σταθερές του Σύμπαντος.

Μέτρο (απόσταση)

Ξεκινώντας το 1799, το μέτρο ορίστηκε από το μήκος μιας πρότυπης ράβδου, η οποία ήταν απλώς μια ράβδος από πλατίνα. Οι φυσικοί τελικά συνειδητοποίησαν ότι η απόσταση αυτή θα μπορούσε να οριστεί από την ταχύτητα του φωτός (c), η οποία είχε μετρηθεί με ακρίβεια ενός μέρους σε ένα δισεκατομμύριο χρησιμοποιώντας ένα συμβολόμετρο (τον ίδιο τύπο ανιχνευτή που χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα για την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων). Το μέτρο (m) ορίζεται σήμερα ως η απόσταση που διανύει το φως (στο κενό) σε 1/299 792 458ο του δευτερολέπτου και θα παραμείνει ουσιαστικά αμετάβλητο μετά την αναθεώρηση.

Χιλιόγραμμο (μάζα)

Για περισσότερο από έναν αιώνα, το πρότυπο κιλό ήταν ένας μικρός κύλινδρος πλατίνας-ιριδίου που στεγαζόταν στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (BIPM) κοντά στο Παρίσι της Γαλλίας. Αλλά ακόμη και η ακριβής μάζα του παρουσιάζει διακυμάνσεις εξαιτίας παραγόντων όπως η συσσώρευση μικροσκοπικής σκόνης. Η τελευταία αναθεώρηση επαναπροσδιορίζει το χιλιόγραμμο (kg) ρυθμίζοντας την τιμή της σταθεράς Planck σε ακριβώς 6,626070040 x 10^-34 kg m² s^-1. Η σταθερά του Planck είναι η μικρότερη δυνατή (κβαντισμένη = που παίρνει διακριτές τιμές) ποσότητα ενέργειας. Αυτή η θεμελιώδης τιμή, η οποία αντιπροσωπεύεται από το γράμμα h, είναι αναπόσπαστο κομμάτι του υπολογισμού των ενεργειών στη φυσική των σωματιδίων.

Δευτερόλεπτο (χρόνος)

Ο αρχικός ορισμός των δευτερολέπτων βασίστηκε σε διαιρέσεις του χρόνου μεταξύ των πανσέληνων. Αργότερα, τα δευτερόλεπτα ορίστηκαν από τις ηλιακές μέρες, και τελικά από τον χρόνο που χρειάζεται η Γη για μια περιστροφή γύρω από τον Ήλιο. Σήμερα, το/τα δευτερόλεπτο (α) καθορίζονται από τον ατομικό χρόνο, ο οποίος είναι ακριβής σε ένα μέρος στα 10 δισεκατομμύρια. Ο ατομικός χρόνος βασίζεται στις περιόδους ακτινοβολίας που παράγονται και απορροφώνται από τα άτομα, και ονομάζεται «συχνότητα υπερμετρικής μετάβασης» (Δν). Ένα δευτερόλεπτο ορίζεται σήμερα ως 9 192 631 770 περίοδοι ακτινοβολίας για ένα άτομο καισίου-133 και θα παραμείνει ουσιαστικά αμετάβλητο.

Κέλβιν (θερμοκρασία)

Η κλίμακα θερμοκρασίας κέλβιν ξεκινάει από την ψυχρότερη δυνατή κατάσταση της ύλης. Προς το παρόν, το κέλβιν (K) ορίζεται από το τριπλό σημείο του νερού – τη θερμοκρασία στην οποία το νερό μπορεί να υπάρχει ταυτόχρονα ως στερεό, υγρό και αέριο. Το τριπλό σημείο είναι 273,16 K, οπότε ένα κέλβιν είναι 1 / 273,16 του τριπλού σημείου. Αλλά το νερό δεν μπορεί ποτέ να είναι εντελώς καθαρό και τα νοθεύματα μπορούν να επηρεάσουν το τριπλό σημείο. Τον Μάιο του 2017, μια ομάδα Γερμανών φυσικών στο Physikalisch-Technische Bundesanstalt έκανε τις μέχρι τώρα πιο ακριβείς μετρήσεις της σταθεράς Boltzmann. Η σταθερά Boltzmann, που δηλώνεται από το σύμβολο k, είναι πανταχού παρούσα σε όλους τους υπολογισμούς της φυσικής που περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία και την εντροπία, και συνδέει την κίνηση των σωματιδίων σε ένα αέριο (τη μέση κινητική ενέργεια) με τη θερμοκρασία του αερίου. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται τώρα για τον επαναπροσδιορισμό των μονάδων θερμοκρασίας ρυθμίζοντας την τιμή της σταθεράς του Boltzmann σε ακριβώς 1,38064852 x 10²³ joules (J) ανά κέλβιν.

Αμπέρ (ηλεκτρικό ρεύμα)

Ο André-Marie Ampère (1775-1836), ο οποίος θεωρείται συχνά ο πατέρας της ηλεκτροδυναμικής, έχει την τιμή να δίνει το όνομα του στη βασική μονάδα ηλεκτρικού ρεύματος. Μέχρι τώρα, το αμπέρ (A) οριζόταν από την ποσότητα ρεύματος που απαιτείται για την παραγωγή μιας δύναμης 2 x 10^-7 newtons (N) για κάθε μέτρο μεταξύ δύο παράλληλων αγωγών άπειρου μήκους. Φυσικά, είναι λίγο δυσεύρετα τα αντικείμενα άπειρου μήκους, οπότε ο αναθεωρημένος ορισμός θα καθορίσει αντ’ αυτού τα αμπέρ από τη θεμελιώδη φόρτιση ενός σωματιδίου. Αυτός ο νέος ορισμός βασίζεται στη φόρτιση του ηλεκτρονίου, e, η οποία θα οριστεί σε 1,6021766208 x 10^-19 αμπέρ δευτερόλεπτα.

Κηρίο η Καντέλα (φωτεινότητα)

Η τελευταία από τις βασικές μονάδες SI που πρόκειται να καθιερωθούν, το κηρίο η καντέλα μετρά τη φωτεινότητα – αυτό που συχνά αναφέρουμε ως λαμπρότητα. Τα πρώτα πρότυπα για το κηρίο χρησιμοποίησαν ένα φαινόμενο από την κβαντική μηχανική που ονομάζεται ακτινοβολία μαύρου σώματος, που είναι το φως που όλα τα αντικείμενα ακτινοβολούν ως συνάρτηση της θερμοκρασίας τους. Προς το παρόν, το κηρίο η καντέλα (cd) ορίζεται περισσότερο θεμελιωδώς ως 1/683 watt (W) ανά τετραγωνικό ακτίνιο σε συχνότητα 540 x 10¹² hertz (Hz) σε μια ορισμένη περιοχή, ένας ορισμός που θα παραμείνει ουσιαστικά αμετάβλητος. Δύσκολο να το φανταστείτε; Ένα κερί, πρακτικά, εκπέμπει περίπου ένα κηρίο/μια καντέλα φωτεινής έντασης.

Γραμμομόριο (ποσότητα)

Διαφορετικό από όλες τις άλλες βασικές μονάδες, το γραμμομόριο μετρά μόνο ποσότητα και είναι απλά ένας αριθμός. Για εκατοντάδες χρόνια οι επιστήμονες, με πρώτο τον Amedeo Avogadro (1776-1856), εργάστηκαν για να καταλάβουν καλύτερα πώς ο αριθμός των ατόμων σχετίζεται με τη μάζα, οδηγώντας στον τρέχοντα ορισμό του γραμμομορίου (M): ο αριθμός των ατόμων στα 12 γραμμάρια (g) του άνθρακα-12. Αυτός ο αριθμός, ο οποίος είναι γνωστός και ως σταθερά Avogadro (N_A), είναι περίπου 6 x 10²³. Για να γίνει πιο ακριβές το γραμμομόριο, ο νέος ορισμός θα θέσει τη σταθερά Avogadro σε ακριβώς 6,022140857 x 10²³, αποσυνδέοντας την από το κιλό.

Ευχαριστίες

Αυτή είναι μια τροποποιημένη έκδοση ενός άρθρου που δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στο ηλεκτρονικό περιοδικό Symmetry στις 7 Νοεμβρίου 2017^w1. 

Download

Download this article as a PDF