Το πρότυπο κιλό πλησιάζει στο τέλος της ζωής του

ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΕ ΜΕΤΡΑ ΚΑΙ ΣΤΑΘΜΑ

Το πρότυπο κιλό πλησιάζει στο τέλος της ζωής του

Ζυγοί Κιμπλ, όπως ο εικονιζόμενος NIST-4 του αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Στάνταρντς και Τεχνολογίας, συγκρίνουν την ηλεκτρική και μηχανική ισχύ. Είναι μηχανισμοί κατασκευασμένοι σχολαστικά και παίζουν κεντρικό ρόλο στη διαδικασία για τον νέο ορισμό του χιλιογράμμου. Από το ζυγό της φωτογραφίας έχει αφαιρεθεί το μεταλλικό κάλυμμα σχήματος κώδωνα, μέσα στο οποίο δημιουργείται κενό αέρος

Από το 1889, την ίδια χρονιά που άνοιξε στο κοινό ο πύργος του Αϊφελ, το χιλιόγραμμο ορίστηκε ως η μάζα ενός κυλίνδρου από κράμα πλατίνας (λευκόχρυσου) και ιριδίου, που φυλάσσεται κάτω από τρεις φωλιασμένους ο ένας μέσα στον άλλο γυάλινους κώδωνες, μέσα σε ένα θησαυροφυλάκιο, στις εγκαταστάσεις του Διεθνούς Γραφείου Μέτρων και Σταθμών στις Σέβρες της Γαλλίας. Πρόκειται για το Διεθνές Πρότυπο Χιλιόγραμμο (ΔΠΧ) ή το «μεγάλο Κ (κιλό)», στο οποίο βασίζονται παγκοσμίως όλα τα εθνικά πρότυπα για τη μέτρηση της μάζας. Σε τακτά χρονικά διαστήματα, τα εθνικά πρότυπα χιλιόγραμμα κάθε χώρα που διαθέτει τέτοια, μεταφέρονται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στις Σέβρες της Γαλλίας. Εκεί μετρολόγοι τα συγκρίνουν με τα αντίστοιχα πρότυπα χιλιόγραμμα άλλων χωρών και αν χρειαστεί με το ΔΠΧ. Είναι τόσο μεγάλη η αξία και η σημασία του «μεγάλου Κ», που ακόμη και σε επισήμους δεν επιτρέπεται όχι μόνο να το αγγίξουν, αλλά ούτε να το δουν.

Το χιλιόγραμμο είναι μια ανωμαλία στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI): Είναι η τελευταία μονάδα που συνδέεται με ένα συγκεκριμένο φυσικό αντικείμενο - αλλά όχι για πολύ ακόμα. Εως το τέλος του 2018 το ΔΠΧ θα περάσει στην ιστορία και το κιλό θα οριστεί εκ νέου, με βάση μια φυσική σταθερά, τη σταθερά του Πλανκ, που στην κβαντομηχανική σχετίζεται με την ενέργεια που μεταφέρει ένα μοναδικό σωματίδιο φωτός, ένα φωτόνιο.

Κιλό σε δίαιτα

Το Κ20, το πρότυπο χιλιόγραμμο που χρησιμοποιούν οι ΗΠΑ, συγκρίνεται αυτήν την περίοδο με το Διεθνές Πρωτότυπο Χιλιόγραμμο στο Παρίσι. Μετά τον νέο ορισμό του χιλιογράμμου, οι μετρολόγοι των ΗΠΑ θα χρησιμοποιούν το NIST-4

Δεκαετίες τώρα οι μετρολόγοι θέλουν την ακρίβεια και την αξιοπιστία ενός διεθνούς στάνταρντ μάζας, που να συνδέεται με κάποια θεμελιώδη φυσική σταθερά, αντί για ένα κομμάτι μετάλλου της βικτωριανής εποχής. Υπάρχει όμως και πιο πιεστικός λόγος για την αλλαγή: Το «μεγάλο Κ» φαίνεται να χάνει διαρκώς μάζα. Κάθε 30 χρόνια περίπου, το ΔΠΧ αφαιρείται από την κρύπτη του για καθαρισμό και σύγκριση με 6 επίσημα αντίγραφα ή «μάρτυρες» που φυλάσσονται στην ίδια κρύπτη. Οταν συγκρίθηκαν οι πρώτοι δύο «μάρτυρες» το 1889, ταίριαζαν σε μάζα απόλυτα με το πρωτότυπο. Αλλά οι μετρήσεις που έγιναν το 1946, αμέσως μετά το Β' Παγκόσμιο Πόλεμο και πάλι το 1992, διαπίστωσαν ότι τα αντίγραφα ήταν ελαφρώς πιο βαριά (κατά 30 και 50 μικρογραμμάρια αντίστοιχα) από το «μεγάλο Κ». Είναι απίθανο τα αντίγραφα να κέρδισαν μάζα (από κάποια χημική ή φυσική επίδραση) και το ΔΠΧ να έμεινε αναλλοίωτο. Το πιθανότερο είναι - με κάποια αβεβαιότητα - το ΔΠΧ να έχασε με κάποιον τρόπο μάζα. Αυτή η αβεβαιότητα ήταν ένας από τους παράγοντες που οδήγησαν τη Γενική Συνέλευση για τα Μέτρα και Σταθμά, το ελεγκτικό Σώμα του Διεθνούς Γραφείου, να αποφασίσει το 2011 τον ορισμό νέου προτύπου μάζας.

Κανείς δεν ξέρει γιατί το πρότυπο κιλό μπορεί να χάνει μάζα, αλλά είναι εξαιρετικά πολύτιμο για να γίνουν δοκιμές πάνω του, που θα μπορούσαν να δώσουν απαντήσεις. Η υπόθεση αυτή δεν είναι σχολαστικισμός. Καθώς η τεχνολογία προοδεύει, οι μετρήσεις ακρίβειας της μάζας σε μοριακό επίπεδο και ακόμη πιο κάτω θα γίνουν ρουτίνα σε ευρύ φάσμα βιομηχανικών τομέων. Θα χρειαστεί να μετρώνται μάζες μικρογραμμαρίων (δισεκατομμυριοστών του κιλού) με ακρίβεια τουλάχιστον τριών δεκαδικών ψηφίων. Και το πρόβλημα δεν περιορίζεται στη μέτρηση μάζας. Οι μονάδες για τη μέτρηση δύναμης (νιούτον), ενέργειας (τζάουλ), ισχύος (βατ) είναι παράγωγες και σχετίζονται με τη μονάδα μάζας και η αλυσίδα σύνδεσης με το χιλιόγραμμο συνεχίζεται. Ενα μικρό ερωτηματικό στη μάζα του πρότυπου κιλού θα μπορούσε να «μολύνει» κάθε μέτρηση στις φυσικές επιστήμες, ενώ αν η μάζα του ΔΠΧ αλλάξει θα πρέπει να αλλάξουν οι τιμές θεμελιωδών φυσικών σταθερών, πράγμα προφανώς παράλογο.

Εως την Ανδρομέδα

Το κιλό είναι το πιο πρόσφατο από τις 7 θεμελιώδεις μονάδες του μετρικού συστήματος (SI), που θα αποκτήσει νέα ταυτότητα, αλλά δεν θα είναι η τελευταία. Πέρα από το χιλιόγραμμο, το SI περιλαμβάνει το μέτρο ως μονάδα μήκους, το δευτερόλεπτο για το χρόνο, το αμπέρ για την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, την καντέλα για τη ένταση του φωτός (φωτεινότητα), το μολ (mole) για τον αριθμό των ατόμων ή μορίων σε μια ποσότητα ουσίας και το κέλβιν για τη θερμοκρασία. Να σημειωθεί ότι και το μολ συνδέεται έμμεσα με το χιλιόγραμμο, αφού ως πρότυπος αριθμός στοιχειωδών οντοτήτων λαμβάνεται ο αριθμός των ατόμων σε 0,012 χιλιόγραμμα άνθρακα 12.

Δύο από τις βασικές μονάδες του SI επαναπροσδιορίστηκαν πριν από δεκαετίες. Το 1983, το μέτρο, που πρώτα οριζόταν με βάση την απόσταση ανάμεσα σε δύο χαρακιές πάνω σε μια ράβδο λευκόχρυσου - ιριδίου, που επίσης φυλασσόταν μαζί με το πρότυπο κιλό, ορίστηκε ως η απόσταση που ταξιδεύει το φως στο κενό σε 1/299.792.458 του δευτερολέπτου. Με την εμφάνιση βελτιωμένων ατομικών ρολογιών τη δεκαετία του 1960, το δευτερόλεπτο, που οριζόταν ως το 1/86.400 του μέσου ηλιακού ημερονυκτίου, ορίστηκε ως ο χρόνος 9.192.631.770 ταλαντώσεων του ατόμου του Καισίου 133.

Η τρέχουσα κατάσταση με το αμπέρ είναι ιδιαίτερα παράξενη. Ο επίσημος ορισμός του είναι τόσο θεωρητικός (περιλαμβάνει δύο απείρως μακριά, μονοδιάστατα, χωρίς μάζα καλώδια), που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο εργαστήριο. Αυτό θα αλλάξει το 2018, όταν το αμπέρ θα οριστεί με βάση το φορτίο του ηλεκτρονίου, δυνατότητα που δίνεται χάρη στην ανάπτυξη συσκευών νανοτεχνολογίας ικανών να μετρούν μεμονωμένα φορτισμένα σωματίδια που κινούνται μέσα σε ένα κύκλωμα.

Ο επαναπροσδιορισμός του κιλού είναι το επίκεντρο της προσπάθειας για τη δημιουργία ενός πραγματικά παγκόσμιου συστήματος μέτρων και σταθμών, που δεν θα εξαρτάται από παρωχημένες, γήινες συμβάσεις. Θεωρητικά, οι νέες μονάδες θα έχουν νόημα για όλα τα νοήμονα όντα, από εδώ έως την ...Ανδρομέδα. Η αρχή της προτυποποίησης, με τη δημιουργία της πρώτης εκδοχής του μετρικού συστήματος, έγινε από τη γαλλική επανάσταση. Το 1791, δύο χρόνια μετά την ανατροπή της φεουδαρχίας, η τότε προοδευτική αστική τάξη κατάργησε τις 700 διαφορετικές μονάδες μέτρησης που υπήρχαν στη Γαλλία (κάθε μεγάλη πόλη και κωμόπολη είχε τις δικές της μονάδες!).

Ζυγοί

Οπως και η σταθερά της παγκόσμιας έλξης, η σταθερά του Πλανκ είναι θεωρητικό μέγεθος, η αριθμητική τιμή του οποίου μπορεί να προσδιοριστεί μόνο μέσω πειραμάτων. Με τη βελτίωση των επιστημονικών οργάνων χρόνο με το χρόνο, η ακρίβεια μέτρησης των φυσικών σταθερών συνεχώς αυξάνεται. Για το πέρασμα στον νέο ορισμό του χιλιογράμμου, το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών αποφάσισε μια στρατηγική δύο φάσεων. Αρχικά τα μετρολογικά εργαστήρια πέντε χωρών θα προσδιορίσουν με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια την αριθμητική τιμή της σταθεράς του Πλανκ, θα συγκρίνουν τα πρότυπα εθνικά χιλιόγραμμά τους με αυτήν τη σταθερά και θα δουν πόσο οι τιμές που θα βρουν για το χιλιόγραμμο θα ταιριάζουν μεταξύ τους. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε το περασμένο καλοκαίρι και σύντομα αναμένονται τα αποτελέσματα. Αν αυτά είναι ικανοποιητικά, αν δηλαδή τουλάχιστον τρία από τα πέντε μετρολογικά εργαστήρια δώσουν τιμές που δεν θα διαφέρουν περισσότερο από 50 μικρογραμμάρια (η τρέχουσα αβεβαιότητα για το ΔΠΧ), τότε οι συμμετέχοντες θα αντιστρέψουν τη διαδικασία και θα χρησιμοποιήσουν τα εθνικά τους χιλιόγραμμα για να ρυθμίσουν επακριβώς τη μέτρηση της σταθεράς του Πλανκ. Η νέα ακριβέστερη τιμή της σταθεράς του Πλανκ θα χρησιμοποιηθεί τότε για να επαναπροσδιοριστεί μόνιμα το χιλιόγραμμο.

Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων, οι επιστήμονες θα χρησιμοποιήσουν μια εξαιρετικά περίπλοκη συσκευή, που ονομάζεται ζυγός Κιμπλ (γνωστή παλιότερα ως ζυγός βατ). Οι συσκευές αυτές στεγάζονται σε εργαστήρια όπου δεν υπάρχει ίχνος σιδήρου, ώστε να προφυλάσσονται από οποιοδήποτε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, που θα αλλοίωνε έστω και κατ' ελάχιστο το πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργούν μέσα στις συσκευές οι υπεραγώγιμοι (ψυχόμενοι από υγρό ήλιο) μαγνήτες, που υπάρχουν στη βάση τους. Οι ζυγοί βασίζουν τη λειτουργία τους στην εξισορρόπηση του βάρους της πρότυπης μάζας που τοποθετείται στη μια πλευρά, με τη μαγνητική δύναμη που προκαλεί το πέρασμα ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από ένα πηνίο στην άλλη πλευρά. Ο ζυγός μπορεί να λειτουργήσει και με αντίστροφο τρόπο, κινώντας με σταθερή ταχύτητα τη μια πλευρά του με τη βοήθεια ηλεκτροκινητήρα και μετρώντας τη διαφορά δυναμικού που δημιουργείται στο πηνίο που κρέμεται απ' την άλλη, καθώς κινείται μέσα στο ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Ολες οι μετρήσεις αυτές εισάγονται σε εξισώσεις για να υπολογιστεί η σταθερά του Πλανκ, ενώ με δεδομένη τη σταθερά του Πλανκ ο ζυγός Κιμπλ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της μάζας ενός σώματος. Φυσικά, μέσα στη συσκευή πρέπει να υπάρχει κενό αέρος, αλλά για να λειτουργήσει με τη ζητούμενη ακρίβεια, οι επιστήμονες πρέπει να πάρουν υπόψη τοπικές διακυμάνσεις στην ατμοσφαιρική πίεση και βαρύτητα, τη μετάπτωση του άξονα της Γης (μετάπτωση των ισημεριών), ακόμη και το φαινόμενο των παλιρροιών.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»