معیاری برای دقت - استاندارد واحد جرم و زمان

كیلوگرم به وسیله استوانه ای از جنس پلاتین ـ ایریدیم كه در سال ۱۸۸۹ در انگلستان ساخته شده است، تعریف می شود. هیچ كس نمی داند دلیل این كاهش وزن چیست، یا حداقل چرا وزن این استوانه در مقایسه با سایر وزنه های مرجع كاهش می یابد، اما در هر صورت این تغییر وزن عاملی شد تا یك جست وجوی بین المللی برای یافتن تعریف دقیق تری از وزن صورت گیرد.
پیتر بیكر یكی از دانشمندان آزمایشگاه استانداردهای فدرال، كه موسسه ای با ۱۵۰۰ محقق است و كارش اختصاصاً توسعه روش های جدید برای اندازه گیری هرچه دقیق تر كمیت هاست، در این مورد می گوید: «مطمئناً داشتن استانداردی كه به طور مرتب در حال تغییر است، مفید نخواهد بود. » حتی تغییری به اندازه ۵۰ میكروگرم ـ كمتر از وزن یك دانه نمك ـ در یك كیلوگرم برای ایجاد خطا در محاسبات دقیق علمی كافی است. دكتر بیكر سرپرست یك گروه بین المللی از محققانی است كه در جست وجوی راهی برای ارائه تعریف جدیدی از كیلوگرم برپایه تعداد اتم های یك عنصر خاص هستند. سایر دانشمندان از جمله محققان انستیتو ملی و فناوری در واشنگتن، در حال توسعه فناوری دیگری هستند كه كیلوگرم را با استفاده از مكانیسم پیچیده دیگری كه با عنوان ترازوی وات شناخته می شود تعریف كنند. تصمیم نهایی نیز برعهده كمیته بین المللی اوزان و مقادیر، سازمانی كه طی یك معاهده بین المللی در سال ۱۸۶۵ به وجود آمده است، قرار دارد. این سازمان حفاظت از كیلوگرم مرجع بین المللی را برعهده دارد و آنرا تحت تدابیر شدید امنیتی در شاتو واقع در حومه پاریس نگهداری می كند. این استاندارد سالی یك بار تحت تدابیر شدید امنیتی توسط تنها سه نفری كه كلید آن را در اختیار دارند، مورد بازبینی قرار می گیرد. اما تغییر وزن ایجاد شده خاطرنشان كرده است كه زمان كنار گذاشتن این استاندارد برای انجام اندازه گیری ها فرا رسیده است. دكتر ریچارد دیویس رئیس قسمت جرم در بخش تحقیقات كمیته بین المللی می گوید: «این كار قسمتی از وظایف ماست. اگر نتوان به مفاد پیمان نامه پایبند بود، لازم است كه تغییراتی در آن صورت گیرد. » كیلوگرم تنها مورد از هفت واحد اصلی اندازه گیری است كه از زمان تعریف آن در قرن نوزدهم تاكنون بدون تغییر مانده است. طی سالیان گذشته، دانشمندان در تعریف واحدهایی نظیر متر (كه در اصل بر مبنای محیط زمین تعریف شده بود) و ثانیه (كه بر اساس كسری از یك روز تعریف شده بود) تجدیدنظر كرده اند. هم اكنون متر بر اساس فاصله ای كه نور طی یك ـ ۴۵۸/۶۹۲/۲۹۹ام ثانیه طی می كند، و ثانیه بر اساس مدت زمانی كه طول می كشد، اتم سزیم ۶۶۰/۶۳۱/۱۹۲/۹ مرتبه ارتعاش كند، تعریف می شود. هركدام از این كمیت ها را می توان با دقت بسیار اندازه گرفت و نكته دیگری كه از اهمیت مشابهی برخوردار است آنكه در هر كجای جهان می توان آنها را دوباره ایجاد كرد. در ابتدا كیلوگرم بر اساس جرم یك لیتر آب تعریف شده بود، اما بعدها مشخص شد، كه اندازه گیری دقیق جرم یك لیتر آب بسیار مشكل است. در عوض قرار شد یك طلاساز انگلیسی استخدام شود تا یك استوانه از جنس پلاتین ایریدیم بسازد كه برای تعریف كیلوگرم استاندارد به كار رود. یكی از عواملی كه باعث شد تا كیلوگرم از این لحاظ از سایر واحدها عقب بماند، این بود كه، سود عملی فوری برای افزایش دقت آن متصور نبود. با این همه انحراف در وزن كیلوگرم استاندارد باعث ایجاد خطا در سایر اندازه گیری ها می شد. برای مثال ولت بر اساس كیلوگرم تعریف می شود، بنابراین تعریفی بر مبنای كیلوگرم پایدار منجر به آن می شود كه تعریف ولت بر مبنای واحدهای اصلی اندازه گیری با دقت هرچه بیشتر صورت گیرد. حدود هشتاد نسخه از روی كیلوگرم مرجع ،تولید و بین كشورهای امضاكننده معاهده سیستم متریك توزیع شد. تاریخ پرشور این استوانه كوچك فلزی بیانگر آن است كه كل جهان طی مدت های مدیدی از تعریف واحدی برای كیلوگرم استفاده كرده است. بعضی از این نمونه های فلزی كه به كشورهای امضاكننده اختصاص یافته بود بعدها ناپدید شد، از جمله نمونه ای كه در اختیار صربستان بود. ژاپن نیز پس از جنگ جهانی دوم مجبور شد نمونه خود را تسلیم كند. آلمان نیز چند نمونه از آن را تحویل گرفت، از جمله یكی كه در سال ۱۸۸۹ به ایالت باواریا اختصاص یافت و نمونه دیگری كه به آلمان شرقی تعلق گرفت.
آلمان ضمن همكاری با دانشمندان سایر كشورها از جمله استرالیا، ایتالیا و ژاپن سرگرم ساخت یك كریستال دقیقاً كروی یك كیلوگرمی از جنس سیلیكون برای روزآمد كردن كیلوگرم است. ایده ساخت این نمونه بر این مبنا قرار دارد كه با دانستن تعداد دقیق اتم های موجود در كریستال، فاصله آنها از یكدیگر و اندازه كره، تعداد دقیق اتم های موجود در آن را می توان حساب كرد. دكتر بیكر و همكارانش برای جداسازی سه ایزوتوپ سیلیكون به كارخانه های قدیمی ساخت سلاح های هسته ای شوروی روی آورده اند. سانتریفوژهای موجود در این كارخانه زمانی برای تولید اورانیم غنی شده به كار می رفت و امروزه نیز می تواند سیلیكون با خلوص مورد نظر را تولید كند. دكتر بیكر می گوید: «ما به حدود نه تا از این دستگاه ها نیاز داریم. » تجهیزات غنی سازی اورانیم یكی از مكان هایی است كه می توان از این گونه دستگاه ها استفاده كرد. دكتر بیكر در ادامه می گوید: «قرار است از چهار تا از این دستگاه ها استفاده كنیم. » و بدین ترتیب می توان سیلیكون ۲۸ را با خلوص ۹۹/۹۹ درصد تولید كرد. پیش از این یك بلور آزمایشی ساخته شده بود. دكتر آرنولد نیكلاس یكی دیگر از دانشمندان آزمایشگاه استانداردهای آلمان مسئولیت تحقیق در مورد اینكه آیا این كره واقعاً گرد است یا خیر را برعهده داشت. وی حدود نیم میلیون مكان مختلف از این كریستال را اندازه گرفت تا شكل آن را مشخص كند. این كره شاید گردترین چیزی باشد كه بشر تاكنون ساخته است. دكتر نیكلاس می گوید: «اگر كره زمین هم همین قدر گرد بود، آن وقت كوه اورست فقط چهار متر ارتفاع داشت. » یكی از مشخصات جالب این كره واقعاً صاف این است كه راهی برای تشخیص چرخش یا سكون آن وجود ندارد. مگر آنكه لكه كوچكی را روی سطح آن ایجاد كنیم تا چشم بتواند مسیر حركت آن را ردیابی كند. دانشمندان ایالات متحده، انگلستان، فرانسه و سوئیس مدعی هستند كه محاسبه تعداد دقیق اتم های سیلیكون موجود در كریستال با استفاده از فناوری امروز از دقت كافی برخوردار نیست و به همین دلیل آنها سرگرم ابداع روشی برای محاسبه كیلوگرم با استفاده از ولتاژ هستند. دكتر ریچارد اشتاینر، یكی از دانشمندان، انستیتو استانداردها و فناوری واشنگتن، كه سرپرست یك طرح بین المللی برای ساخت ترازوی وات است، در این زمینه می گوید: «اندازه گیری انرژی آسان تر از شمارش اتم هاست. » وی طی هفته گذشته گزارشاتی ارائه داد مبنی بر اینكه داده هایی كه به دست آورده اند دقیقاً همان چیزی است كه به آن نیاز دارند. وی می گوید: «خطایی كه در محاسبات ما وجود دارد بسیار ناچیز است. » چرا كه خطای آنان حدود ۱۰ قسمت در ده میلیون است. ایده ترازوی وات بر مبنای اندازه گیری نیروی الكترومغناطیسی مورد نیاز برای برقراری تعادل با یك كیلوگرم استاندارد است. از آنجایی كه میدان گرانشی مكانی كه آزمایش در آن انجام می گیرد با دقت زیاد مشخص شده است، جرم مورد نظر را می توان به قدرت الكترومغناطیسی مربوط ساخت.
(اندازه گیری میدان مغناطیسی بسیار پیچیده است و به اطلاعات زیادی از جمله تغییرات هر روزه نیروی جاذبه نیاز دارد. ) بنابراین تعریف كیلوگرم باید براساس اندازه گیری آن نیرو یا برحسب چیز دیگری كه از آن كمیت اخذ شده است، مثلاً جرم یك الكترون تعریف شود. این آزمایش ها در واشنگتن در حال پیگیری است، اما علی رغم پیچیدگی آنها و مسیر پرپیچ وخم محاسبات جرم، دكتر اشتاینر می گوید وی مطمئن است كه گروه وی به زودی خواهد توانست اطلاعات مجاب كننده را ارائه دهد. وی می گوید: «خلاصه بگویم، فكر می كنم ما برنده ایم. » دكتر دیویس كه عضو گروهی است كه تصمیم گیری نهایی سرنوشت كیلوگرم را بر عهده دارند می گوید، وی هنوز هم از سرنوشت این طرح مطمئن نیست. بسیاری از دانشمندان بر این عقیده اند كه بهترین روش برای تعریف كیلوگرم شمارش تعداد كلی اتم های یك عنصر خاص است. طرحی نیز در دست اجراست كه در آن تعداد اتم های طلا شمارش می شود. اما تعداد بسیار زیاد اتم های موجود در یك كیلوگرم، عددی تقریباً ۲۵ رقمی، باعث می شود انجام این كار را در آینده نزدیك غیرممكن جلوه دهد. وی مایل است دیدگاه خود را وارد دنیای اندازه گیری های بسیار دقیق كند. او می گوید: «بسیار عالی خواهد بود اگر دو روش آزمایش متفاوت داشته باشیم كه یكدیگر را تایید كنند. »

Newyork Times, ۲۷ May ۲۰۰۳

نوشته: اوتوپول
ترجمه: سلیمان فرهادیان

منبع : شبکه فیزیکی هوپا