با من NISTy صحبت کن: وقتی کلمات روزمره معانی مختلفی در علم اندازه گیری پیدا می کنند

NIST به عنوان موسسه ملی علم اندازه گیری منحصر به فرد است. ما آژانس ایالات متحده مسئول حفظ استانداردهای اندازه گیری، از دوم تا کیلوگرم هستیم.

ما کمک می‌کنیم تا اطمینان حاصل کنیم که این واحدهای اندازه‌گیری در ساعت‌های ما و مقیاس‌های مواد غذایی ما سازگار هستند. اما این آنقدرها هم که به نظر می رسد ساده نیست، و فعالیت های ما گاهی ما را به استفاده از کلمات روزمره به روش های غیرعادی سوق می دهد. در این پست، من شما را با برخی از این معانی مختلف آشنا می کنم، و چه کسی می داند؟ در مهمانی بعدی شما، برخی از مردم ممکن است فکر کنند که شما در NIST کار می کنید (اگر قبلاً اینجا کار نکرده اید!).

برای شروع، شما اغلب می شنوید که دانشمندان اندازه گیری ما در مورد آن صحبت می کنند مصنوعات در اصطلاح روزمره، آنها اشیایی تاریخی هستند که به ما در مورد یک فرهنگ خاص در زمان قبلی می گویند. به سنگ روزتا، طومارهای دریای مرده و نقاب توت عنخ آمون فکر کنید.

اما در علم اندازه‌گیری، «مصنوع» معنای متفاوتی دارد. این یک جسم فیزیکی است که نشان دهنده یک واحد اندازه گیری است، مانند کیلوگرم فلز یا یک میله پلاتین برای متر.

برخلاف مصنوعات فرهنگی، که ما سعی در حفظ آنها داریم، دانشمندان در تلاش بوده اند تا به طور کامل از شر مصنوعات اندازه گیری خلاص شوند. این به این دلیل است که مصنوعات اندازه گیری به طور اجتناب ناپذیری ناقص هستند. ساختن مصنوعات دو کیلوگرمی دقیقاً یکسان غیرممکن است. یک کیلوگرم مصنوع در ایالات متحده دارای جرم بسیار کمی متفاوت از یک مصنوع کیلوگرم در پاریس است، بنابراین تعاریف فیزیکی ما از کیلوگرم ممکن است کمی با هم مخالف باشد.

هدف دانشمندان تعریف واحدهای اندازه گیری با ثابت های طبیعت است که در همه جای جهان یکسان است. به عنوان مثال، اکنون از سرعت نور برای تعریف یک متر و یک پرش انرژی در اتم سزیم استفاده می کنیم. دومی را تعریف کنید. ما نیز استفاده می کنیم ثابت پلانک برای تعریف کیلوگرم (به مستند مراجعه کنید آخرین مصنوع برای یادگیری بیشتر در مورد این.)

درک آنچه در مورد تحقق آن نمی دانستم

در ابتدا متوجه نشدم که دانشمندان اندازه گیری از آن استفاده می کنند متوجه شدن به روشی متفاوت با آنچه در مکالمات روزمره استفاده می کنیم. در NIST، این کلمه اغلب به معنای «تبدیل یک مفهوم به واقعیت فیزیکی» است. مثلاً یک ساعت اتمی می سازیم تا تعریف ثانیه را بفهمیم و الف را می سازیم تعادل کیبل برای تحقق کیلوگرم بر اساس ثابت پلانک.

و در حالی که ما در آن هستیم، اگر در یک نمایش بازی شرکت می کنید، باید به خاطر داشته باشید که دانشمندان اندازه گیری نامیده می شوند مترولوژیست ها، اصطلاحی که به طرز خطرناکی به «هواشناس» نزدیک است. من افراد بسیار باهوش و آگاه خارج از NIST را دیده ام که در مورد این اصطلاح و حتی تکرار آن دست و پا می زنند خطر قهرمان دور پایانی را پس از اینکه اصطلاح “متروولوژیست” را به درستی دریافت نکرد، باخت!

در NIST، ما در مورد استانداردهای زیادی صحبت می کنیم، اما انتظارات خود را برای رستوران های خوب یا لباس های رسمی توصیف نمی کنیم (اگرچه ما تمام تلاش خود را می کنیم در مناسبت های خاص!).

در دنیای ما، استاندارد به طور کلی یکی از دو چیز است. اول، این می تواند یک روش توافق شده برای تعریف یک کمیت فیزیکی باشد. به این می گویند a استاندارد اندازه گیری بنابراین، یک ساعت اتمی یک استاندارد اندازه گیری برای ثانیه است، و تعادل کیبل یک استاندارد اندازه گیری برای کیلوگرم است.

دوم، یک استاندارد می‌تواند به روشی برای انجام یک فرآیند فنی، مانند روشی برای آزمایش تشک‌ها از نظر ضد شعله بودن اشاره کند. این به عنوان یک شناخته می شود استاندارد مستند در حالی که ما می سازیم مستند در مورد NIST، ما در اینجا در مورد چیز متفاوتی صحبت می کنیم. «مستند» به سادگی به این معنی است که این استانداردها معمولاً به صورت مکتوب مستند هستند.

اندازه گیری حساس و هماهنگ

مردم در دنیای استاندارد اغلب در مورد آن صحبت می کنند هماهنگی، اما آنها به کوارتت های آرایشگاهی فکر نمی کنند (اگرچه نوازندگان آماتور با استعداد در دانشگاه ما رایج هستند). در حوزه استانداردها، هماهنگی به معنای اخذ استانداردهای متعدد در مورد یک موضوع، شاید از کشورهای یا سازمان‌های مختلف، و ایجاد یک استاندارد واحد و ثابت است که همه طرف‌ها بر آن توافق دارند. هماهنگی در تجارت بین المللی بسیار مهم است. به عنوان مثال، استانداردهای بین المللی برای پورت های USB-C وجود دارد که در تلفن ها، رایانه ها و سایر دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود. این امر فروش محصولاتی را که در کشورهای دیگر کار می کنند را برای یک تولید کننده در یک کشور آسان تر می کند.

مترولوژیست ها از کلماتی استفاده می کنند که شبیه ویژگی های احساسی به نظر می رسند اما واقعاً تعاریف علمی دقیقی دارند. به عنوان مثال، محققان NIST به آنها افتخار می کنند حساسیت به طور کلی، این اندازه‌گیری کوچک‌ترین جسم یا ضعیف‌ترین سیگنالی است که می‌توان تشخیص داد، خواه یک ذره نور از یک اتم باشد یا کوچک‌ترین تغییر در موقعیت یک جسم مکانیکی. این کلمه در وب سایت NIST و مقالات تألیف شده توسط NIST زیاد آمده است. حساسیت اغلب یک ویژگی مهم در اندازه گیری است. محققان ما وقتی به سطوح جدیدی از حساسیت می رسند به درستی افتخار می کنند.

دانشمندان اندازه گیری نیز معانی خاصی برای دقت و دقت دارند. دقت به این معنی است که یک اندازه گیری چقدر به مقدار واقعی “واقعی” خود نزدیک است. دقت به این معنی است که این اندازه گیری چقدر دقیق است – برای مثال، 4 متر به اندازه 4.005 متر دقیق نیست. برای درک تفاوت، به بازی دارت فکر کنید. اگر می خواهید به مرکز ضربه بزنید، یک پرتاب دارت دقیق ممکن است در حلقه داخلی تخته دارت فرود بیاید. یک پرتاب دقیق و دقیق پرتابی است که درست روی چشم گاو نر فرود آید.

اعتماد به عدم قطعیت

یکی از مهمترین چیزهایی که دانشمندان اندازه گیری با آن دست و پنجه نرم می کنند این است عدم قطعیت در زندگی روزمره، این اصطلاح حالت شک و تردید را منعکس می کند. تعریف علمی آن خیلی متفاوت نیست. هیچ اندازه گیری کامل نیست. بنابراین مترولوژیست ها نه تنها یک اندازه گیری (به عنوان مثال، عرض دیوار 8.0 متر) بلکه عدم قطعیت آن (به اضافه یا منفی 0.1 متر) را نیز بیان می کنند. به عنوان NIST آنتونیو پوسولو می گوید، عدم اطمینان مانند مه است که ارزش واقعی اموالی را که اندازه گیری می کنید احاطه کرده است.

عدم قطعیت به عوامل متعددی بستگی دارد، مانند ظرافت یک ابزار اندازه گیری (به عنوان مثال، اگر خط کش دارای علامت گذاری در هر میلی متر باشد)، اختلاف منظر (که در آن خواندن شخص از یک خط کش بر اساس زاویه ای که در آن مشاهده می کند متفاوت است) و در آخر، تعداد اندازه گیری هایی که از دیوار انجام می دهند.

محققان اغلب در مورد بودجه عدم قطعیت، که تمام خطاهای احتمالی اندازه گیری را در نظر می گیرد. عدم قطعیت بخش عمده ای از علم اندازه گیری است که NIST لیگ ابرقهرمانان SI شامل شخصیتی به نام عدم قطعیت اصلی است. (او یک شرور است، اما شخصاً فکر می‌کنم بدفهمی شده است.)

یکی از اصطلاحات مورد علاقه من که اخیراً با آن مواجه شده ام این است ظرافت، که ازش یاد گرفتم یک آزمایش اخیر شامل محققان NIST که آینه‌هایی با کارایی بالا، معروف به «آینه‌های فوق‌العاده» ایجاد کردند. من پنهانی آرزو می کنم که آن ظرافت استعدادی را که محققان با آن آزمایش را انجام دادند توصیف می کرد. اما در این زمینه، ظرافت کیفیت یک آینه را توصیف می کند، یعنی چند بار یک ذره نور می تواند قبل از جذب شدن بین دو آینه جهش کند. هر چه تعداد دفعات پرش بیشتر باشد، ظرافت بالاتری دارد. (و در مورد چشمگیر صحبت کنید – محققان ابرآینه هایی ساختند که دارای ظرافت بودند بیشتر از 400000!)

تنظیم استاندارد برای مواد مرجع

ماتریس اصطلاح دیگری است که اغلب با شنیدن آن در سالن های ما معنای خاصی دارد. وقتی در مورد ما صحبت می کنیم مطرح می شود مواد مرجع استاندارد (SRMs)، از جمله موارد ما برای غذا. ماتریکس قسمت عمده ای از مواد مانند کربوهیدرات ها است که حاوی مواد دیگری مانند ویتامین ها و مواد معدنی در مقادیر کمتر است.

نمونه اش ماست SRM برای غذای گربه. ما نمونه‌ای از غذای گربه را که به دقت تهیه شده است اندازه‌گیری می‌کنیم تا بتوانیم مقادیر دقیق و دقیقی را برای تعداد گرم درشت مغذی‌ها (کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها، پروتئین‌ها) و چند میلی‌گرم ریز مغذی‌ها (مانند اسیدهای آمینه) ارائه کنیم. تولیدکنندگان مواد غذایی می توانند از SRM ما استفاده کنند و این مواد مغذی را با تجهیزات خود اندازه گیری کنند. اگر نتایج آنها با ما مطابقت داشته باشد، آنها می توانند مطمئن باشند که تجهیزات اندازه گیری آنها دقیق است.

من یک راز را به شما می گویم: غذای گربه SRM مخفف غذاهای مشابهی است که مشخصات مواد مغذی آنها مشابه است. بنابراین، اگر یک تولید کننده انواع دیگری از غذاهای حیوانات خانگی را تولید کند، ممکن است از غذای گربه برای آزمایش تجهیزات خود استفاده کند. از آنجایی که SRM غذای گربه به طور کلی برای غذاهای حیوانات خانگی به خوبی کار می کند، ما یک SRM برای غذای سگ نداریم (با عرض پوزش برای همه دوستداران سگ در آنجا!).

این در مورد بسیاری از غذاها صادق است. به عنوان مثال، در مورد سس اسپاگتییکی از SRM های ما برای شیرخشک نوزاد از نظر مشخصات مواد مغذی به آن نزدیک است. بنابراین یک تولید کننده سس می تواند از تجهیزات خود برای اندازه گیری مواد مغذی در شیر خشک SRM ما استفاده کند تا مطمئن شود که اطلاعات تغذیه ای دقیقی را برای سس خود ارائه می دهد. حتی اگر اینها غذاهای متفاوتی هستند، نتایج به طور کلی بسیار دقیق هستند.

بنابراین این یک تور مختصر از معنای برخی کلمات معمولی در NIST است. اگرچه ممکن است محققان ما گاهی به نظر برسند که در واقعیتی جایگزین زندگی می کنند، مانند شخصیت های داستان ماتریس، آنها بسیار در مورد دنیایی که ما در آن زندگی می کنیم صحبت می کنند – به روش NISTy خودشان.