2018 يمكن أن يطلق عليه عام مصيري في علم القياس ، لأن هذا هو وقت ثورة تكنولوجية حقيقية في النظام الدولي لوحدات الكميات الفيزيائية SI. يتعلق الأمر بمراجعة تعريفات الكميات الفيزيائية الرئيسية. هل كيلوغرام البطاطس في السوبر ماركت يزن الآن بطريقة جديدة؟ ج البطاطا ستكون هي نفسها. شيء آخر سيتغير
قبل نظام SI
كانت هناك حاجة إلى معايير مشتركة في الأوزان والمقاييس في العصور القديمة. لكن القواعد العامة للقياسات أصبحت ضرورية بشكل خاص مع ظهور التقدم العلمي والتكنولوجي. احتاج العلماء إلى التحدث بلغة مشتركة: قدم واحدة كم سنتيمتراً؟ وما هو السنتيمتر في فرنسا عندما لا يكون مثل الإيطالي؟
يمكن تسمية فرنسا بالمخضرم الفخري والفائز في المعارك المترولوجية التاريخية. تم اعتماد نظام القياس رسميًا في فرنسا عام 1791الوحدات ، وتم وصف وإقرار تعريفات الكميات المادية الرئيسية كوثائق دولة.
كان الفرنسيون أول من فهم أنه يجب ربط الكميات المادية بالأشياء الطبيعية. على سبيل المثال ، تم وصف متر واحد بأنه 1/40.000.000 من طول خط الزوال من الشمال إلى الجنوب باتجاه خط الاستواء. وبالتالي ، فقد تم ربطه بحجم الأرض.
تم ربط غرام واحد أيضًا بظواهر طبيعية: تم تعريفه على أنه كتلة الماء في سنتيمتر مكعب عند مستوى درجة حرارة قريب من الصفر (ذوبان الجليد).
لكن كما اتضح ، فإن الأرض ليست كرة مثالية على الإطلاق ، ويمكن أن يكون للماء في المكعب مجموعة متنوعة من الخصائص إذا كان يحتوي على شوائب. لذلك ، تختلف أحجام هذه الكميات في أجزاء مختلفة من الكوكب قليلاً عن بعضها البعض.
في أوائل القرن التاسع عشر ، دخل الألمان ، بقيادة عالم الرياضيات كارل جاوس ، هذا المجال. اقترح تحديث نظام المقاييس بالسنتيمتر-الجرام-الثاني ، ومنذ ذلك الحين دخلت الوحدات المترية إلى العالم ، وتم الاعتراف بها من قبل المجتمع الدولي ، وتم تشكيل نظام دولي لوحدات الكميات الفيزيائية.
تقرر استبدال طول خط الطول وكتلة مكعب من الماء بالمعايير التي تم تخزينها في مكتب الأوزان والمقاييس في باريس ، مع توزيع نسخ على الدول المشاركة في المقياس اتفاقية.
كيلوغرام ، على سبيل المثال ، بدا وكأنه أسطوانة مصنوعة من سبيكة من البلاتين والإيريديوم ، والتي في النهاية أيضًا لم تصبح حلاً مثاليًا.
تم تشكيل النظام الدولي لوحدات الكميات الفيزيائية SI في عام 1960. في البداية كان يضم ستةالكميات الأساسية: المتر والطول ، الكيلوجرام والكتلة ، الوقت بالثواني ، قوة التيار بالأمبير ، درجة الحرارة الديناميكية الحرارية بالكلفن وشدة الإضاءة في الشمعة. بعد عشر سنوات ، تمت إضافة واحدة أخرى لهم - كمية مادة مقاسة بالمولات.
من المهم معرفة أن جميع وحدات القياس الأخرى للكميات الفيزيائية للنظام الدولي تعتبر مشتقات من الكميات الأساسية ، أي يمكن حسابها رياضيًا باستخدام الكميات الأساسية لنظام SI.
بعيدًا عن المعايير
تبين أن المعايير المادية ليست أكثر أنظمة القياس موثوقية. تتم مقارنة معيار الكيلوجرام نفسه ونسخه حسب البلد بشكل دوري مع بعضهما البعض. تظهر التسويات تغييرات في جماهير هذه المعايير ، والتي تحدث لأسباب مختلفة: الغبار أثناء التحقق ، أو التفاعل مع الحامل ، أو أي شيء آخر. لاحظ العلماء هذه الفروق الدقيقة غير السارة لفترة طويلة. حان الوقت لمراجعة معاملات وحدات الكميات الفيزيائية للنظام الدولي في المترولوجيا.
لذلك ، تغيرت بعض تعريفات الكميات تدريجياً: حاول العلماء الابتعاد عن المعايير الفيزيائية ، التي غيرت بطريقة أو بأخرى معاييرها بمرور الوقت. أفضل طريقة هي اشتقاق الكميات من حيث الخصائص الثابتة ، مثل سرعة الضوء أو التغيرات في بنية الذرات.
عشية الثورة في نظام SI
يتم إجراء التغييرات التكنولوجية الرئيسية في النظام الدولي لوحدات الكميات المادية من خلال تصويت أعضاء المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في المؤتمر السنوي. في حالة الموافقة ، ستصبح التغييرات سارية المفعول بعد قليلأشهر
كل هذا مهم للغاية للعلماء الذين تتطلب أبحاثهم وتجاربهم أقصى درجات الدقة في القياسات والتركيبات.
ستساعد المعايير المرجعية الجديدة لعام 2018 في تحقيق أعلى مستوى من الدقة في أي قياس في أي مكان وزمان ومقياس. وكل هذا دون اي خسارة في الدقة.
إعادة تعريف الكميات في نظام SI
يتعلق الأمر بأربعة من سبع كميات فيزيائية أساسية للتشغيل. تقرر إعادة تعريف الكميات التالية بالوحدات:
- كيلوجرام (كتلة) باستخدام وحدات ثابت بلانك في التعبير ؛
- أمبير (تيار) مع قياس الشحنة ؛
- كلفن (درجة الحرارة الديناميكية الحرارية) مع تعبير الوحدة باستخدام ثابت بولتزمان ؛
- مول من خلال ثابت أفوجادرو (كمية المادة).
بالنسبة للكميات الثلاثة المتبقية ، سيتم تغيير صياغة التعريفات ، لكن جوهرها سيبقى كما هو:
- متر (الطول) ؛
- ثانية (الوقت) ؛
- شمعة (شدة الضوء).
التغييرات مع أمبير
ما هو الأمبير كوحدة للكميات الفيزيائية في نظام SI الدولي اليوم ، تم اقتراحه في عام 1946. تم ربط التعريف بقوة التيار بين موصلين في فراغ على مسافة متر واحد ، مع تحديد جميع الفروق الدقيقة في هذا الهيكل. عدم الدقة والقياس المرهق هما السمتان الرئيسيتان لهذا التعريف من وجهة نظر اليوم.
في التعريف الجديد ، الأمبير هو تيار كهربائي يساويتدفق عدد ثابت من الشحنات الكهربائية في الثانية. يتم التعبير عن الوحدة في رسوم الإلكترون.
لتحديد الأمبير المحدث ، هناك حاجة إلى أداة واحدة فقط - ما يسمى بمضخة الإلكترون المفرد ، القادرة على تحريك الإلكترونات.
نقاوة الخلد والسيليكون الجديدة 99.9998٪
يرتبط التعريف القديم للمول بكمية المادة التي تساوي عدد الذرات في نظير الكربون بكتلة 0.012 كجم.
في الإصدار الجديد ، هذه هي كمية المادة الموجودة في عدد محدد بدقة من الوحدات الهيكلية المحددة. يتم التعبير عن هذه الوحدات باستخدام ثابت أفوجادرو.
هناك أيضًا مخاوف كثيرة بشأن رقم Avogadro. لحسابه ، تقرر إنشاء كرة من السيليكون 28. يتميز نظير السيليكون هذا بشبكته البلورية الدقيقة إلى حد الكمال. لذلك ، يمكن حساب عدد الذرات فيه بدقة باستخدام نظام ليزر يقيس قطر الكرة.
يمكن للمرء ، بالطبع ، أن يجادل بأنه لا يوجد فرق جوهري بين كرة السيليكون 28 وسبائك البلاتين-إيريديوم الحالي. كل من هذه المادة ومادة أخرى تفقد الذرات في الوقت المناسب. يخسر ، صحيح. لكن silicon-28 يفقدهم بمعدل يمكن التنبؤ به ، لذلك سيتم إجراء تعديلات على المرجع طوال الوقت.
تم الحصول مؤخرًا على أنقى السيليكون 28 للكرة في الولايات المتحدة الأمريكية. نقاوته 99.9998٪.
والآن كلفن
كلفن هي إحدى وحدات الكميات الفيزيائية في النظام الدولي وتستخدم لقياس مستوى درجة الحرارة الديناميكية الحرارية. "بالطريقة القديمة" تساوي 1/273 ، 16أجزاء من درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء. تعتبر النقطة الثلاثية للماء مكونًا مثيرًا للاهتمام للغاية. هذا هو مستوى درجة الحرارة والضغط الذي يكون عنده الماء في ثلاث حالات في وقت واحد - "البخار والجليد والماء".
تعريف "عرج على كلا الساقين" للسبب التالي: تعتمد قيمة كلفن بشكل أساسي على تكوين الماء مع نسبة نظيرية معروفة نظريًا. لكن من الناحية العملية ، كان من المستحيل الحصول على مياه بهذه الخصائص.
سيتم تعريف كلفن الجديد على النحو التالي: كلفن واحد يساوي تغيرًا في الطاقة الحرارية بمقدار 1.4 × 10−23ي. يتم التعبير عن الوحدات باستخدام ثابت بولتزمان. الآن يمكن قياس مستوى درجة الحرارة عن طريق تحديد سرعة الصوت في كرة الغاز.
كيلوغرام بدون المعيار
نعلم بالفعل أنه يوجد في باريس معيار البلاتين مع الإيريديوم ، والذي غير وزنه بطريقة ما أثناء استخدامه في علم القياس ونظام وحدات الكميات الفيزيائية.
التعريف الجديد للكيلوغرام هو: يتم التعبير عن كيلوغرام واحد على أنه ثابت بلانك مقسومًا على 6.63 × 10−34m2· с−1.
يمكن الآن قياس الكتلة على مقياس "واط". لا تدع الاسم يخدعك ، فهذه ليست المقاييس المعتادة ، بل الكهرباء ، وهي كافية لرفع جسم ملقى على الجانب الآخر من الميزان.
التغييرات في مبادئ بناء وحدات الكميات الفيزيائية ونظامها ككل ضرورية ، أولاً وقبل كل شيء ، في المجالات النظرية للعلوم. العوامل الرئيسية في النظام المحدثهي الآن ثوابت طبيعية.
هذا هو الاستنتاج المنطقي لسنوات عديدة من النشاط لمجموعة دولية من العلماء الجادين الذين كانت جهودهم لفترة طويلة تهدف إلى إيجاد قياسات وتعريفات مثالية للوحدات بناءً على قوانين الفيزياء الأساسية.
