معياري براي دقت - استاندارد واحد جرم و زمان

ترجمه: سليمان فرهاديان

در زمانه كاهش وزن و تناسب اندام، حتي خود وزن هم نگران وزن خود است. دانشمندان مي گويند كيلوگرم استاندارد سبك تر مي شود و اين امر مي تواند باعث ايجاد اشتباهات بالقوه اي در بسياري از تحقيقات علمي شود. كيلوگرم به وسيله استوانه اي از جنس پلاتين ـ ايريديم كه در سال 1889 در انگلستان ساخته شده است، تعريف مي شود. هيچ كس نمي داند دليل اين كاهش وزن چيست، يا حداقل چرا وزن اين استوانه در مقايسه با ساير وزنه هاي مرجع كاهش مي يابد، اما در هر صورت اين تغيير وزن عاملي شد تا يك جست وجوي بين المللي براي يافتن تعريف دقيق تري از وزن صورت گيرد.

پيتر بيكر يكي از دانشمندان آزمايشگاه استانداردهاي فدرال، كه موسسه اي با 1500 محقق است و كارش اختصاصاً توسعه روش هاي جديد براي اندازه گيري هرچه دقيق تر كميت هاست، در اين مورد مي گويد: «مطمئناً داشتن استانداردي كه به طور مرتب در حال تغيير است، مفيد نخواهد بود. » حتي تغييري به اندازه 50 ميكروگرم ـ كمتر از وزن يك دانه نمك ـ در يك كيلوگرم براي ايجاد خطا در محاسبات دقيق علمي كافي است.

دكتر بيكر سرپرست يك گروه بين المللي از محققاني است كه در جست وجوي راهي براي ارائه تعريف جديدي از كيلوگرم برپايه تعداد اتم هاي يك عنصر خاص هستند. ساير دانشمندان از جمله محققان انستيتو ملي و فناوري در واشنگتن، در حال توسعه فناوري ديگري هستند كه كيلوگرم را با استفاده از مكانيسم پيچيده ديگري كه با عنوان ترازوي وات شناخته مي شود تعريف كنند. تصميم نهايي نيز برعهده كميته بين المللي اوزان و مقادير، سازماني كه طي يك معاهده بين المللي در سال 1865 به وجود آمده است، قرار دارد. اين سازمان حفاظت از كيلوگرم مرجع بين المللي را برعهده دارد و آنرا تحت تدابير شديد امنيتي در شاتو واقع در حومه پاريس نگهداري مي كند. اين استاندارد سالي يك بار تحت تدابير شديد امنيتي توسط تنها سه نفري كه كليد آن را در اختيار دارند، مورد بازبيني قرار مي گيرد. اما تغيير وزن ايجاد شده خاطرنشان كرده است كه زمان كنار گذاشتن اين استاندارد براي انجام اندازه گيري ها فرا رسيده است. دكتر ريچارد ديويس رئيس قسمت جرم در بخش تحقيقات كميته بين المللي مي گويد: «اين كار قسمتي از وظايف ماست. اگر نتوان به مفاد پيمان نامه پايبند بود، لازم است كه تغييراتي در آن صورت گيرد. »

كيلوگرم تنها مورد از هفت واحد اصلي اندازه گيري است كه از زمان تعريف آن در قرن نوزدهم تاكنون بدون تغيير مانده است. طي ساليان گذشته، دانشمندان در تعريف واحدهايي نظير متر (كه در اصل بر مبناي محيط زمين تعريف شده بود) و ثانيه (كه بر اساس كسري از يك روز تعريف شده بود) تجديدنظر كرده اند. هم اكنون متر بر اساس فاصله اي كه نور طي يك ـ 458/692/299ام ثانيه طي مي كند، و ثانيه بر اساس مدت زماني كه طول مي كشد، اتم سزيم 660/631/192/9 مرتبه ارتعاش كند، تعريف مي شود.

هركدام از اين كميت ها را مي توان با دقت بسيار اندازه گرفت و نكته ديگري كه از اهميت مشابهي برخوردار است آنكه در هر كجاي جهان مي توان آنها را دوباره ايجاد كرد. در ابتدا كيلوگرم بر اساس جرم يك ليتر آب تعريف شده بود، اما بعدها مشخص شد، كه اندازه گيري دقيق جرم يك ليتر آب بسيار مشكل است. در عوض قرار شد يك طلاساز انگليسي استخدام شود تا يك استوانه از جنس پلاتين ايريديم بسازد كه براي تعريف كيلوگرم استاندارد به كار رود. يكي از عواملي كه باعث شد تا كيلوگرم از اين لحاظ از ساير واحدها عقب بماند، اين بود كه، سود عملي فوري براي افزايش دقت آن متصور نبود. با اين همه انحراف در وزن كيلوگرم استاندارد باعث ايجاد خطا در ساير اندازه گيري ها مي شد. براي مثال ولت بر اساس كيلوگرم تعريف مي شود، بنابراين تعريفي بر مبناي كيلوگرم پايدار منجر به آن مي شود كه تعريف ولت بر مبناي واحدهاي اصلي اندازه گيري با دقت هرچه بيشتر صورت گيرد.

حدود هشتاد نسخه از روي كيلوگرم مرجع ،توليد و بين كشورهاي امضاكننده معاهده سيستم متريك توزيع شد. تاريخ پرشور اين استوانه كوچك فلزي بيانگر آن است كه كل جهان طي مدت هاي مديدي از تعريف واحدي براي كيلوگرم استفاده كرده است. بعضي از اين نمونه هاي فلزي كه به كشورهاي امضاكننده اختصاص يافته بود بعدها ناپديد شد، از جمله نمونه اي كه در اختيار صربستان بود. ژاپن نيز پس از جنگ جهاني دوم مجبور شد نمونه خود را تسليم كند. آلمان نيز چند نمونه از آن را تحويل گرفت، از جمله يكي كه در سال 1889 به ايالت باواريا اختصاص يافت و نمونه ديگري كه به آلمان شرقي تعلق گرفت.

آلمان ضمن همكاري با دانشمندان ساير كشورها از جمله استراليا، ايتاليا و ژاپن سرگرم ساخت يك كريستال دقيقاً كروي يك كيلوگرمي از جنس سيليكون براي روزآمد كردن كيلوگرم است. ايده ساخت اين نمونه بر اين مبنا قرار دارد كه با دانستن تعداد دقيق اتم هاي موجود در كريستال، فاصله آنها از يكديگر و اندازه كره، تعداد دقيق اتم هاي موجود در آن را مي توان حساب كرد. دكتر بيكر و همكارانش براي جداسازي سه ايزوتوپ سيليكون به كارخانه هاي قديمي ساخت سلاح هاي هسته اي شوروي روي آورده اند. سانتريفوژهاي موجود در اين كارخانه زماني براي توليد اورانيم غني شده به كار مي رفت و امروزه نيز مي تواند سيليكون با خلوص مورد نظر را توليد كند. دكتر بيكر مي گويد: «ما به حدود نه تا از اين دستگاه ها نياز داريم. » تجهيزات غني سازي اورانيم يكي از مكان هايي است كه مي توان از اين گونه دستگاه ها استفاده كرد.

دكتر بيكر در ادامه مي گويد: «قرار است از چهار تا از اين دستگاه ها استفاده كنيم. »

و بدين ترتيب مي توان سيليكون 28 را با خلوص 99/99 درصد توليد كرد. پيش از اين يك بلور آزمايشي ساخته شده بود. دكتر آرنولد نيكلاس يكي ديگر از دانشمندان آزمايشگاه استانداردهاي آلمان مسئوليت تحقيق در مورد اينكه آيا اين كره واقعاً گرد است يا خير را برعهده داشت. وي حدود نيم ميليون مكان مختلف از اين كريستال را اندازه گرفت تا شكل آن را مشخص كند. اين كره شايد گردترين چيزي باشد كه بشر تاكنون ساخته است. دكتر نيكلاس مي گويد: «اگر كره زمين هم همين قدر گرد بود، آن وقت كوه اورست فقط چهار متر ارتفاع داشت. » يكي از مشخصات جالب اين كره واقعاً صاف اين است كه راهي براي تشخيص چرخش يا سكون آن وجود ندارد. مگر آنكه لكه كوچكي را روي سطح آن ايجاد كنيم تا چشم بتواند مسير حركت آن را رديابي كند. دانشمندان ايالات متحده، انگلستان، فرانسه و سوئيس مدعي هستند كه محاسبه تعداد دقيق اتم هاي سيليكون موجود در كريستال با استفاده از فناوري امروز از دقت كافي برخوردار نيست و به همين دليل آنها سرگرم ابداع روشي براي محاسبه كيلوگرم با استفاده از ولتاژ هستند.

دكتر ريچارد اشتاينر، يكي از دانشمندان، انستيتو استانداردها و فناوري واشنگتن، كه سرپرست يك طرح بين المللي براي ساخت ترازوي وات است، در اين زمينه مي گويد: «اندازه گيري انرژي آسان تر از شمارش اتم هاست. »

وي طي هفته گذشته گزارشاتي ارائه داد مبني بر اينكه داده هايي كه به دست آورده اند دقيقاً همان چيزي است كه به آن نياز دارند. وي مي گويد: «خطايي كه در محاسبات ما وجود دارد بسيار ناچيز است. » چرا كه خطاي آنان حدود 10 قسمت در ده ميليون است. ايده ترازوي وات بر مبناي اندازه گيري نيروي الكترومغناطيسي مورد نياز براي برقراري تعادل با يك كيلوگرم استاندارد است. از آنجايي كه ميدان گرانشي مكاني كه آزمايش در آن انجام مي گيرد با دقت زياد مشخص شده است، جرم مورد نظر را مي توان به قدرت الكترومغناطيسي مربوط ساخت.

(اندازه گيري ميدان مغناطيسي بسيار پيچيده است و به اطلاعات زيادي از جمله تغييرات هر روزه نيروي جاذبه نياز دارد.)

بنابراين تعريف كيلوگرم بايد براساس اندازه گيري آن نيرو يا برحسب چيز ديگري كه از آن كميت اخذ شده است، مثلاً جرم يك الكترون تعريف شود. اين آزمايش ها در واشنگتن در حال پيگيري است، اما علي رغم پيچيدگي آنها و مسير پرپيچ وخم محاسبات جرم، دكتر اشتاينر مي گويد وي مطمئن است كه گروه وي به زودي خواهد توانست اطلاعات مجاب كننده را ارائه دهد.

وي مي گويد: «خلاصه بگويم، فكر مي كنم ما برنده ايم. »

دكتر ديويس كه عضو گروهي است كه تصميم گيري نهايي سرنوشت كيلوگرم را بر عهده دارند مي گويد، وي هنوز هم از سرنوشت اين طرح مطمئن نيست.

بسياري از دانشمندان بر اين عقيده اند كه بهترين روش براي تعريف كيلوگرم شمارش تعداد كلي اتم هاي يك عنصر خاص است. طرحي نيز در دست اجراست كه در آن تعداد اتم هاي طلا شمارش مي شود. اما تعداد بسيار زياد اتم هاي موجود در يك كيلوگرم، عددي تقريباً 25 رقمي، باعث مي شود انجام اين كار را در آينده نزديك غيرممكن جلوه دهد. وي مايل است ديدگاه خود را وارد دنياي اندازه گيري هاي بسيار دقيق كند. او مي گويد: «بسيار عالي خواهد بود اگر دو روش آزمايش متفاوت داشته باشيم كه يكديگر را تاييد كنند. »

Newyork Times, 27 May 2003