بقلم إلازبيث غيبني
١٦ نوفمبر ٢٠١٨
المترجم : أبو طه/ عدنان أحمد الحاجي
المقالة رقم ٣٦٦ لسنة ٢٠١٨
التصنيف: علوم عامة
16 November 2018
Elizabeth Gibney
الكيلوغرام المعدني الرسمي تخلى عن دوره إلى الثوابت ، لكنه لن يتقاعد بعد - ومن المتوقع أن تأتي المزيد من التغييرات في الوحدات العلمية.
صورة عن قرب لنموذج ٢ كيلوغرام. المصدر: أندرو بروكس ، NPL-UK / SPL
في أكبر عملية إصلاح للنظام الدولي للوحدات منذ عام ١٨٧٥ ، صوتت الدول لإعادة تعريف أربع وحدات أساسية للقياس - الأمبير والكيلوغرام والكلڤن والمول (ال مول هو كمية المادة المشتملة على 6.023x10 مرفوعة للقوة 23 من الوحدات العنصرية).
في اجتماع عُقد في ١٧ نوفمبر ٢٠١٨ ، صوَّت ٦٠ مندوبًا من حكومات العالم بالإجماع على تغيير كيفية تعريف هذه الوحدات - التي ستدخل حيز التنفيذ في ٢٠ مايو ٢٠١٩.
قوبل التصويت في المؤتمر العام الحكومي الدولي المعني بالأوزان والمقاييس في فرساي ، فرنسا ، بإحتفاء حماسي وتصفيق حار.
تقول زينة كوباريش ، وهي متخصصة في علوم المقاييس والموازين في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في غايثرسبيرغ ، ميريلاند: "هذا شيء كبير". "إنها أفضل نزهة مثيرة يمكنك أن تحصل عليها في علم المقاييس".
في إطار النظام الدولي الجديد للوحدات (المعروف باسم SI) ، سيتم وصف جميع المقاييس باستخدام ثوابت أساسية من الطبيعة وتكون مشتقة من خلال التجارب ، وقطع الروابط الأخيرة بين SI والأشياء المادية أو المراجع الاعتباطية.
تسمح هذه الخطوة للوحدات أن تُستخرج من تعريفها في أي مكان في العالم ، وتبقى مستقرة بنحو منيع. التصويت هو تتويجا لعقود من العمل ، وانتصار لأخصائي المقاييس والموازين (أخصائي المترولوجيا). ويعني ذلك أن الإسطوانة المعدنية العتيقة والتي هي بحجم راحة اليد"Le Grand K" ، والموجودة في قبو في مدينة سيڤر Sèvres ، على مشارف باريس ، وقد عرفت الكيلوغرام منذ عام ١٨٨٩ ، ستفقد وضعها (الإعتباري) الخاص.
يقول تيري كوين ، الرئيس السابق للمكتب الدولي للأوزان والمقاييس (BIPM): "منذ عصر ما بين النهرين (العراق) على الأرجح قبل خمسة آلاف سنة ، كل مفردة وزن ، من حيث المبدأ ، كانت كتلة من جهة ووزن معياري محلي من جهة أخرى". "من ٢٠ مايو من العام المقبل ، لن يكون هذا هو الحال. أعتقد أن هذا أمر غير عادي. "
لكن هذه التغييرات الرئيسية لا تعني أن نظام ال SI الواسع أصبح الآن محكماً ، كما يقول ديفيد نيويل ، الفيزيائي في NIST. سيعمل أخصائيو المقاييس والموازين بعد ذلك على تحسين تعريف الثانية (الزمنية) ، وربما إضافة المزيد من الوحدات إلى النظام. "إنه يشبه نهاية سلسلة هاري بوتر. إنجازات جيدة ، ولكن كل شيء في سلة المهملات ، "يقول نيويل. في SI ، "لا يزال هناك الكثير من الفوضى التي لا تزال بحاجة إلى التنظيف" ، كما يضيف.
استخدام الثوابت
يجب دائمًا إجراء القياسات وفقًا لمرجع reference، ويتم استخدام المراجع القياسية للتأكد من أن الوحدات قابلة للمقارنة ومتسقة في جميع أنحاء العالم - من وزن مليغرامات الأدوية إلى توقيت أنظمة تحديد المواقع العالمية GPS. بالنسبة للكتلة ، هذا يعني أنه كل قياس بجب ارجاعه إلى الكيلوغرام في فرنسا.
في إطار نظام SI المعدل سيتم تعريف كل وحدة بالنسبة إلى الثابت الذي ستصبح قيمته ثابتة. سيتم تعريف العديد من الوحدات بالنسبة لبعضها البعض ؛ على سبيل المثال ، تعريف الكيلوغرام يتطلب ثابت بلانك
كانت الفكرة لإسناد جميع الوحدات نسبة إلى ثوابت الطبيعة - التي لا تتغير ولاتنتمي إلى إحدى الدول - موجودة منذ أواخر القرن التاسع عشر. ولكن الأمر استغرق ١٥٠ عام تقريبًا حتى تمكن العلماء من قياس القيم بدقة كافية .
مضخة إلكترون بد تكون الأداة لتحديد الأمبير
قام أخصائيوا المقاييس والموازين الذين يعملون في الكهرباء بضبط التجارب التي تحسب تدفق إلكترونات ، مما يسمح لهم باستخدام الشحنة على جسيم واحد لتحديد الأمبير (قوة التيار) - استبدال التعريف يعتمد على تجربة افتراضية تتضمن سلكين طويلين لا نهاية لطرفيهما. إعادة التحديد الكمي هذا يجعل SI متوافقة مع المجتمع الكهربائي ، الذي استخدم هذه المعايير منذ عام ١٩٩٠ نظراً لدقتها الهائلة .
الكليفين : قياس الحرارة الصوتية
وسيعرّف الكلڤن قريباً من خلال ثابت بولتزمان ، الذي يربط بين الطاقة والحرارة ، بدلاً من الإشارة إلى الحالات عند درجة حرارة الماء المحددة ، والمعروفة باسم النقطة الثلاثية.
كرة السيلكون: جهاز يعطي ثابت افغادرو
في هذه الأثناء المول - وهو مقياس للمادة الذي طالما كان يعادل عدد الذرات في 0.012 كيلوغرام من كربون 12 - سيساوي عدد اڤوغادرو Avogadro قريبًا.
المادة الثقيلة
في حالة الكيلوغرام ، فإن إعادة التعريف يعني قياس ثابت بلانك ، وهو رقم يحدد حجم حزم الطاقة على المستوى الكمي ، بدقة متناهية. إحدى الطرق ، المعروفة باسم ميزان كيبل Kibble ، تستخرج ثابت بلانك عن طريق وزن كتلة معروفة مقابل قوة كهرمغنطيسية (انظر "كيلوغرام: ميزان كيبل"). طريقة أخرى تحسب عدد الذرات في مجالين من سليكون -28 لاستخلاص قيمة لرقم اڤوغادرو Avogadro ، والذي يتم تحويله إلى ثابت بلانك.
الفرق التي تطبق الطريقتين المختلفتين وصلت إلى القيم التي كانت دقيقة وفي اتفاق كافٍ فقط في عام ٢٠١٥.
يقول كوين.Quinn: "إن حقيقة موافقتهم على بضعة أجزاء في ١٠ ملايين هي حالة استثنائية تمامًا ، لأنها تعاريف تستند إلى مجالات مختلفة تمامًا من الفيزياء".
ستثبت الثوابت حسب قيمها المتفق عليها - حيث كانت سرعة الضوء أصبحت أساس تعريف المتر metre في عام ١٩٨٣. لاشتقاق الوحدات ، سيقوم أخصائيوا المقاييس والموازين بتغيير التجارب المستخدمة مسبقًا للحصول على الثوابت - على سبيل المثال ، استخدام القيمة الثابتة لثابت بلانك في ميزان كيبل Kibble balance لتحديد القوة الكهرومغناطيسية ووزنها مقابل كتلة غير معروفة.
ثُبتت هذه القيمة ليس فقط في النظام الدولي للوحدات SI ، ولكن بشكل فعلي على أخصائي المقاييس والموازين في معهد NIST قام عدد منهم قام مؤخراً بوشم ( عملوا تاتو من) ثابت بلانك على سواعدهم.
ولأن الآثار المادية معرضة لخطر الضياع أو التلف ، فإن هذا التغيير يجعل تعريف الكتلة أكثر موثوقية. على الرغم من أن الكيلوغرام المرجعي في Le Grand K كان ، بحكم تعريفه ، يزن دائماً 1 كيلوغرام ، فإن كتلته قد تتغير قليلاً مقارنة بالنسخ منه (انظر "الكيلوجرام غير المستقر"). كان من المستحيل تحديد ما إذا كان Le Grand K يفقد أو يكسب ذرات ، ولكن الدراسات المستقبلية يجب أن تكشف الآن عن ذلك.
إن جمال النظام هو أن أي تجربة - بمجرد أن أظهرت المقارنات الدولية أنها دقيقة - يمكن استخدامها لتحديد الوحدة ، كما تقول ايستيفاتي ميرانديس Estefanía de Mirandés ، وهي متخصصة في المقاييس والموازين في BIPM. وهذا لا يجعل النظام أكثر ديمقراطية فحسب ، بل إنه أيضاً "يثبت في المستقبل" التعاريف ، بحيث يمكن استخدامها مع تجارب أحدث وأكثر دقة في المستقبل ، كما تقول ، ومن المحتمل أن تطلق تقنيات جديدة.
فهي تسمح بالفعل بقياسات الكتل الكبيرة والصغيرة جداً بدقة أكبر مما هي عليه اليوم ، كما توضح.
الكيلوغرام الجديد
لا يمكن لعلماء قياس الكتلة أن يسيروا مباشرة في هذا العالم الجديد الجريء . على الرغم من أن الاتفاق بين التجارب كان جيداً بما يكفي لإعادة تعريفه ، إلا أنه ليس متقناً. وإلى أن يتم حل الخلافات الطفيفة بين أفضل قياسات الكتلة في العالم ، سيعامل ال BIPM كحكم فيصل. سيطلب من كل مجموعة قياس (وزن) نفس الأشياء ، والمجيء بقيم الكتلة المتوسطة التي يتمكن الباحث من مقارنتها. قد تسنغرق تسوية الخلافات ١٠ سنوات ، كما يقول دي ميرانديز.
وحتى في هذه المرحلة ، لن يتم التخلص من الأوزان المادية (الطبيعية) الثمينة التي تحتفظ بها مختبرات القياس الوطنية حول العالم. لذا فإن عدداً قليلاً من المختبرات لديها المعدات اللازمة لإنجاز الكيلوغرام من الصفر ، بحيث تأخذ الأوزان أدواراً لنقل معايير الكتلة من المختبرات الوطنية مثل NIST إلى الصناعة التي تتطلبها ، مثل الصناعات الفضائية والتكنولوجيا الحيوية. يقول كوباريش ، الذي يشرف على نسخ الأوزان في الولايات المتحدة: "لا يزال هذه الأوزان القياسية أوزاني ولا يمسها أحد".
تعمل NIST والمختبرات الوطنية في المملكة المتحدة وألمانيا كلها على ميزان كيبل Kibble الرخيصة الثمن والذي يمكن وضعه على سطح منضدة ، بحيث يمكن للشركات والمختبرات الصغيرة في يوم ما أن تكون قادرة على التحقق من الكتل (الموزونة) بنفسها.
ثانية واحدة فقط
أستنزفت إعادة التعريف وقت علماء المقاييس والموازين منذ عام ٢٠٠٥ على الأقل. وبعد ذلك ، سيكون نظرهم مركزاً على الثانية (الزمنية) ، الموصوفة حاليا نسبةً إلى تردد أشعة الميكروويف التي تمتصها وتصدرها ذرات السيزيوم 133. هذه الذرات تفوقت الآن عليها "الساعات البصرية" optical clocks’، والتي تستخدم ذرات مختلفة تتفاعل مع الضوء المرئي عالي التردد ويبدو أنها قادرة على ضبط الوقت بأقل خطأ: فقط ثانية واحدة على مدى عمر الكون.
لتحديث تعريف الثانية في عام ٢٠٢٧ ، كما يأمل العديد من علماء القياس والموازين ، سيحتاج المجتمع إلى تطوير طرق لمقارنة الساعات البصرية حول العالم وتحديد أي ذرة أو ذرات ، لاستخدامها كمعيار. يقول نيويل: "ستكون هذه كرة قدم سياسية".
عائق آخر قد يحاول علماء المقاييس والموازين حله هو إيجاد طريقة أكثر سلاسة لضم المقادير التي ليس لها وحدات - مثل الراديان (وحدة قياس radian وهي نسبة طول قوس دائرة إلى نصف قطرها - في نظام SI. تقول دي ميرانديز: "في بعض المجتمعات ، هناك دافع كبير لذلك".
بالنسبة إلى BIPM ، التي تأسست عام ١٨٧٥ لاستضافة أوزان الكيلوغرام والأطوال المترية ، فإن ثورة ال SI متعة ممزوجة بألم. المتحدثون في الاجتماع قالوا ساخرين إنه لا داعي للذهاب إلى باريس بعد الآن. وتأمل BIPM الآن في إستحداث دور لإجراء مقارنات بين هذه الأعمال في جميع أنحاء العالم ، للتأكد من دقتها ، تقول ايستيفاتي ميرانديس De Mirandés. "إنها نهاية فترة ، ولكن أيضًا بداية فترة جديدة."
المصدر:
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07424-8?utm_source=briefing-dy&utm_medium=email&utm_campaign=briefing&utm_content=20181116
للمواضيع المترجمة السابقة يرجى زيارة المدونة على هذا العنوان؛
https://adnan-alhajji.blogspot.com/?m=1
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق