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

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). 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.

The international SI logo, showing the seven basic units and the fundamental constants their 2019 definitions are based on
Το διεθνές λογότυπο SI, που δείχνει τις επτά βασικές μονάδες και τις θεμελιώδεις σταθερές στις οποίες βασίζονται οι  ορισμοί τους για το 2019
Ευγενική προσφορά του BIPM
 

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)

The International Prototype Kilogram (IPK), a cylinder of platinum-iridium alloy kept at BIPM in France
Το Διεθνές Πρότυπο
Χιλιόγραμμο (IPK), ένας
κύλινδρος κράματος
πλατίνας-ιριδίου που
διατηρείται στο BIPM στη
Γαλλία

Ευγενική προσφορά του BIPM 
 

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.

Melting ice: water can exist in all three states – solid, liquid and gas – only at 273.16 K (or 0.01°C), the ‘triple point’ of water.
Το νερό μπορεί να υπάρχει και στις τρεις καταστάσεις μόνο στο ‘τριπλό σημείο’ του νερού.
Paul Vladuchick/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
 

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)

The light emitted by a single candle is roughly equal to one candela, the SI unit of luminosity.
Το φως που εκπέμπεται
από ένα μόνο κερί είναι
περίπου ίσο με ένα κηρίο (η
μια καντέλα).

tristangage/Flickr, CC BY-NC-
ND 2.0
 

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 (NA), 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.

A balloon, a flask and a beaker, each containing one mole of a substance. The balloon contains one mole of a gas, the beaker one mole of solid nickel (II) chloride, and the flask one mole of copper (II) sulfate in one litre of water (a one-molar solution).
Ένα μπαλόνι, μια κωνική φιάλη και ένα ποτήρι ζέσεως, το καθένα από τα οποία περιέχει ένα γραμμομόριο ουσίας. Το μπαλόνι περιέχει ένα γραμμομόριο αέριου, το ποτήρι ζέσεως ένα γραμμομόριο στερεού χλωριούχου νικελίου (II) και η κωνική φιάλη ένα γραμμομόριο θειικού χαλκού (II) σε ένα λίτρο νερού (ένα μόνο-μοριακό διάλυμα).
Science Photo Library

Ευχαριστίες

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

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Το περιοδικό Symmetry είναι μια δωρεάν ηλεκτρονική έκδοση που καλύπτει τη φυσική των σωματιδίων. Δημοσιεύεται από κοινού από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi και το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC, ΗΠΑ. Για να δείτε το αρχικό άρθρο, επισκεφθείτε την ιστοσελίδα Symmetry.

Resources

Author(s)

Ο Dan Garisto είναι επιστημονικός συγγραφέας. Μπορείτε να τον βρείτε στο Twitter στο @dangaristo.


Review

Η επιστήμη και η τεχνολογία έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο κατά τους τελευταίους αιώνες, με νέες τεχνολογίες που οδηγούν σε μεγαλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση. Όπως περιγράφει αυτό το άρθρο, η μετρολογία αντιδρά τώρα στην πρόοδο αυτή.

Στις πρώτες τάξεις θετικών επιστημών, οι μαθητές μαθαίνουν για το σύστημα SI, αλλά δεν κατανοούν πραγματικά τη φυσική πίσω από τους ορισμούς. Αυτό το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εισαγάγει τους μαθητές ηλικίας 11-16 ετών στη φυσική στην οποία στηρίζονται οι βασικές μονάδες ή πιο προχωρημένους μαθητές στις πιο σύνθετες μονάδες.

Οι πληροφορίες σχετικά με τους ορισμούς των μονάδων μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν και αντίστροφα – δηλαδή, να επικεντρωθούμε στους ορισμούς όταν οι μονάδες έχουν ήδη κατανοηθεί ως έννοιες. Έτσι, για παράδειγμα, η διδασκαλία σχετικά με τα βαρυτικά κύματα μπορεί να εισαγάγει την ιδέα των μετρήσεων χρησιμοποιώντας συμβολόμετρα, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να συνδεθούν με τον ορισμό του μέτρου.

Ερωτήματα κατανόησης που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

  • Τι είναι το Διεθνές Σύστημα Μονάδων;
  • Εξηγήστε τις διαφορές μεταξύ του συστήματος μονάδων SI και του συστήματος μονάδων που χρησιμοποιείται στις ΗΠΑ.
  • Ονομάστε και τις επτά βασικές μονάδες SI και τις αντίστοιχες φυσικές τους ποσότητες, όπως ορίζονται στο σύστημα SI.
  • Γιατί αλλάζουν οι ορισμοί ορισμένων μονάδων SI;
  • Επιλέξτε μια φυσική ποσότητα από το σύστημα SI και εξηγήστε τον αντίστοιχο ορισμό της μονάδας.

Gerd Vogt, καθηγητής φυσικής και συντονιστής για την επιστήμη και την τεχνολογία, Ανώτατο Γυμνάσιο Περιβάλλοντος και Οικονομίας, Yspertal, Αυστρία




License

CC-BY-NC-ND