تحديث الوحدات القياسية للفيزياء قريباً

كتابة: فيونا ماكدونالد.
ترجمة: سعاد السقاف.
مراجعة: عبد الحميد شكري.

لن يبقى الكيلوجرام كما عرفناه بحلول نهاية عام 2018مـ، حيث تمت جدولة تحديث الوحدات المعيارية للقياس والتي نحتاجها بشدةٍ لأول مرةٍ منذ 50 عاماً. وسيتم تعريف جميع الوحدات الأساسية السبعة (بما فيها الثانية، الكيلوجرام، والمتر) بخصائص ثابتةٍ من الطبيعة كسرعة الضوء مثلاً بموجب المقترح الجديد، وذلك بدلاً من أن تكون قيماً اعتمدها مجموعةٌ من العلماء. وهذا سيسهم في جعل العالم بأسره أكثر دقةً بكثيرٍ.

ماذا يعني ذلك بالضبط؟ ففي حين يعتقد معظمنا أن الكيلوجرام هو 1000 جرام ببساطةٍ أو 2.2 رطلاً فالحقيقة هي أن الأمر أعقد من ذلك بكثيرٍ. حيث يتم حالياً تعريف كتلة الكيلوجرام بقطعةٍ ماديةٍ واحدةٍ موجودةً في قبوٍ في فرنسا، وهي مكوّنةٌ من 90% من البلاتين و10% من الإيريديوم، والمعروفة باسم نموذج الكيلوجرام الدولي أو ‘لي غراند كي’ (تظهر صورة طبق الأصل أعلى الصفحة).

هناك عدة نسخٍ متطابقةٍ حول العالم، ولكن إذا أردتَ أن تكون دقيقاً أكثر فإن على أي شيءٍ يزن 1 كيلوجرامٍ أن يزن بالضبط بنفس الكمية كتلك القطعة من المعدن الموجودة بباريس. كما إن نموذج الكيلوجرام الدوليّ ليس ثابتاً. فعلى الرغم من الحماية الجيدة لها، إلا أنها معرّضةٌ لفقد أو زيادة الذرات بمرور الوقت كأي جسمٍ ماديٍّ آخر، ويبدو أن الكتلة المعيارية قد أصبحت أثقل قليلاً بمرور السنين نتيجةً لتلوث السطح.

إن الباحثين ليسوا سعداء جداً حيال ذلك، لأن الكثير من الافتراضات العلمية بُنيت على أساس بقاء كتلة الكيلوجرام نفسها. ومن بين الوحدات السبع للنظام الدوليّ (أو النظام المتريّ) التي تستخدم حالياً، يبقى الكيلوجرام الوحيد الذي يُعرّف بجسمٍ ماديٍّ.

لكن ذلك على وشك التغير أخيراً، حيث اقترحت اللجنة الدولية للوزن والقياسات تعريفاتٍ اصطلاحيةٍ جديدةٍ لوحدات النظام الدوليّ الأساسية، والتي من المقرر تعميمها في المؤتمر العام السادس والعشرون للأوزان والمقاييس بنهاية عام 2018مـ.

كان آخر تعديلٍ رئيسيٍّ للنظام المتريّ قد تم في عام 1960مـ، أي أنها بقيت لفترةٍ طويلةٍ. وللتذكير، إن الوحدات الأساسية السبع للقياس هي:

  • الثانية.
  • المتر.
  • الكيلوجرام.
  • الأمبير.
  • الكالفن.
  • المول.
  • الشمعة (وهي الوحدة الأساسية للاستضاءة).

إن كل هذه الوحدات تُعرّف بظاهرةٍ طبيعيةٍ، باستثناء الكيلوجرام (والمتر هو آخر ما تم تعريفه بالشريط المادي المتري، والذي تم تغييره في عام 1960مـ) ولكن الأربع وحدات سيتم تحديثها، وستُعدل الثلاث الأخريات مع المقترح الجديد. والتغير الجذري الأكبر هو أن الكيلوجرام لن يتم تعريفه بالكيلوجرام المعياري.

كان التأخير ناتجاً من أنه كان على الباحثين الاتفاق على قيمةٍ ثابتةٍ تُعرف بثابت بلانك، والتي تربط طاقة الجسيمات مقارنةً بترددها، وذلك من أجل أن يتمكنوا من إعادة تعريف الكيلو. ولقد بدا بشكلٍ غير متوقعٍ أنه من الصعب قياس ثابت بلانك، حيث استمر العلماء في محاولة الوصول إلى قيمة هذا الثابت الطبيعي منذ سبعينيات القرن الماضي.

لكن الباحثون تمكنوا أخيراً في عام 2014مـ من الوصول إلى اتفاقٍ حول قيمة ثابت بلانك (على الرغم من أن العلماء بإمكانهم إسقاط تلك القيمة حتى يوليو (تموز) من العام المقبل)، مما يعني أنه من المؤمل أن نتخلص من قيمة الكيلوجرام المعياري بحلول عام 2018مـ.

أما التعديلات الأخرى فتتعلق بالأمبير، الكالفن، والمول. ويعرّف الأمبير حالياً بطريقةٍ غير عمليةٍ إطلاقاً، وهو الوحدة المستخدمة لقياس شدة التيار الكهربائيّ. حيث يعرّف بأنه التيار المتدفق عبر سلكين طويلين ورفيعين بشكل لامتناهي وبينهما مسافة مترٍ واحدٍ بالضبط، والذي سيُنتج مقداراً معيناً من القوة. ولكن الحصول على سلكين لا متناهيين في الطول والرفع يعد أمراً مستحيلاً، لذا لا يمكن لأحدٍ فعلياً أن يختبر بدقةٍ ما ينبغي أن تكون عليه تلك القيمة.

لكن بموجب الاقتراح الجديد، فإن الأمبير سيُعرّف بشكلٍ أساسيٍّ اعتماداً على الشحنة الكهربائية للإلكترون والبروتون، وهو شيءٌ يمكن للعلماء قياسه فعلياً.

كما سيتم إعادة تعريف وحدتي الكالفن والمول أيضاً من خلال ربطهما بالقيم الدقيقة لثابت بولتزمان وثابت أفوجادرو على الترتيب. إذ يُعرّف الكالفن حالياً بأنه النقطة الثلاثية للماء، وهي النقطة الغامضة التي يتواجد فيها الماء بحالاته السائلة، الغازية، والصلبة معاً. ويمكنك الاطلاع على التغييرات المقترحة هنا، حيث النظام القديم على اليمين والنموذج المقترح الجديد على اليسار:

النظام الدوليّ الجديد للوحدات                                 النظام الدوليّ القديم للوحدات

في الصورة أعلاه، تمثّل c سرعة الضوء (والتي ستُعرِّف المتر)،  Vcs∆ هي دقة  ساعة السيزيوم الذرية (والتي تُعرِّف الثانية)، h هو ثابت بلانك (والذي سيعرف الكيلوجرام)، Na هو ثابت أفوجادرو (والذي سيعرف المول)، Kcd هو فعالية الاستضاءة (والذي سيعرف الشمعة)، kb هو ثابت بولتزمان (والذي سيعرف الكالفن)، و e  هي الشحنة الأولية (والتي ستعرف الأمبير).

إذًا ما الذي يعنيه كل ذلك بالنسبة لنا؟ لنكن صادقين، ليس كثيراً! فنحن نتحدث عن تغييراتٍ ضئيلةٍ جداً بالنسبة لتعريفات تلك القيم. لذا لا تقلق، فلن يبدأ وزنك فجأةً أكثر أو أقل بين عشيةٍ وضحاها في عام 2018مـ. ولكنه أمرٌ ضخمٌ جداً بالنسبة للعلماء، ويُطلق عليه “حدثٌ لمرةٍ واحدةٍ في العمر“.

يقول استيفان تشلامنجر من المعهد الأمريكي الوطني للمعايير والتقنية في حديثه لإميلي كنوفر من ساينس نيوز: “هناك صدعٌ طفيفٌ في الأساسات، ولا يمكنك أن تبني بناءك الخاص بك في الفيزياء على هذه الأساسات”. وسنتمكن الآن من الوصول لأداءٍ أفضل في العلوم مبدئياً، حيث أن وحدات قياسنا ستصبح مستندةً إلى أحدث وأفضل الأبحاث.

تقول كنوفر: “ستُبنى الوحدات الجديدة وفقاً للفهم الحديث للفيزياء، متضمنةً ميكانيكا الكم والنظرية النسبية الخاصة لآينشتاين”. وحالما نحصل على هذا التغيير، ينبغي أن تمضي فترةً طويلةً من الزمن قبل أن نحتاج لإعادة تعريف القيم مرةً أخرى.

في الحقيقة، إن الشيء الوحيد الذي يهدد تعريفات النظام المتريّ الجديد هو إذا ما اكتشفنا على نحوٍ مفاجئٍ أن الثوابت الطبيعية مثل سرعة الضوء وثابت بولتزمان تختلف في الواقع قليلاً في أنحاء الكون. ولا نرغب في إخافتك، ولكن هذا ما لمحت له دراسةٌ في عام 2011مـ.

لكن حتى الآن لا تزال القوى الأساسية ثابتةً ولا تتغير في الكون. وحتى يتمكن الباحثون من إثبات خلاف ذلك، فإنها تبقى الأفضل والأكثر موثوقيةً لدينا لتحديد وحدات القياس من حولنا، أي أكثر موثوقيةً بكثيرٍ من لوحٍ معدنيٍّ موجودٍ في قبوٍ فرنسيٍّ.

المصدر: (sciencealert)

فيونا ماكدونالد (FIONA MACDONALD)
نموذج الكيلوجرام الدولي (International Prototype Kilogram (IPK))
لي غراند كي (Le Grand K)
النظام الدوليّ (International System (SI))
اللجنة الدولية للوزن والقياسات (International Committee for Weight and Measurements)
المؤتمر العام السادس والعشرون للأوزان والمقاييس (26th General Conference on Weights and Measures)
ثابت بلانك (Planck’s constant)
ثابت بولتزمان (Boltzmann constant)
ثابت أفوجادرو (Avogadro constant)
استيفان تشلامنجر (Stephan Schlamminger)
المعهد الأمريكي الوطني للمعايير والتقنية (US National Institute of Standards and Technology)
إميلي كنوفر (Emily Conover)
ساينس نيوز (Science News)

 

 

 

Website Comments

  1. Saja

    يعني بيأثر ف حساب ديناميكا الموائع و ميكانيكا المواد ؟