یکی از گردترین اجسام جهان کمک به ساختن اندازه گیری جرم بهتر است

در سال 2018، جهان با تعریف مجدد کیلوگرم موافقت کرد. به جای میخکوب شدن به جرم a شی فیزیکی در یک طاق در فرانسه، کیلوگرم اکنون با چند ثابت اساسی در طبیعت تعریف می شود.

این بدان معناست که محققان دیگر نیازی به نگرانی در مورد یک جسم فیزیکی ندارند که می تواند در طول زمان پوسید یا تغییر کند و به طور بالقوه اندازه گیری های جهان را به آشوب بکشاند.

مانند هر واحد اندازه گیری، کیلوگرم باید همیشه برای همه یکسان باشد. از نظر تئوری، اکنون می توان آن را در هر آزمایشگاهی در جهان با استفاده از آن اندازه گیری کرد ثابت پلانک – که مشخص می کند چیزهای کوچک چقدر می توانند باشند. این اندازه‌گیری را می‌توان با هر کسی که نیاز به یافتن جرم یک جسم دارد به اشتراک گذاشت.

اما در واقعیت، به این سادگی نیست – هنوز

انتقال از استفاده از یک جسم فیزیکی به عنوان تعریف کیلوگرم به یک ثابت طبیعی به معنای رویکردهای متفاوت برای تعریف (یا «تحقق»، همانطور که محققان آن را به آن می‌گویند) کیلوگرم برای کشورهای مختلف است.

کشورها رویکردهای خاص خود را برای تعریف دارند و تغییرات جزئی در اندازه گیری آنها وجود دارد. در حالت ایده‌آل، هرکسی بدون توجه به روشی که واقعاً برای اندازه‌گیری استفاده می‌کند، یک نتیجه را در یک محدوده معقول دریافت می‌کند.

را دفتر بین المللی اوزان و معیارها (BIPM) در حال حاضر یک مقدار اجماع را توزیع می کند که کشورها از آن برای تعریف کیلوگرم استفاده می کنند. هنگامی که به این نقطه رسیدیم که رویکردهای مختلف به تعریف منجر به عدم توافق قابل توجهی در نتایج همه نمی شود، BIPM دیگر نیازی به توزیع این مقدار کیلوگرم نخواهد داشت.

بنابراین، دارین حداد، محقق NIST، همراه با بئاتریس رودیک از موسسه ملی علم اندازه گیری آلمان، معروف به را PTBو همکارانشان با هم کار می کنند تا بفهمند چرا این رویکردها به نتایج متفاوتی منجر می شوند.

در حال حاضر، ایالات متحده دارای یک سیستم توزین بسیار دقیق است که به نام a تعادل کیبل، که از مکانیک کوانتومی برای اندازه گیری دقیق جرم برای بدست آوردن تعریف رسمی کیلوگرم استفاده می کند. از سوی دیگر، آلمان از روشی استفاده می‌کند که به عبارت ساده، همانطور که رودیک توضیح می‌دهد، «شمارش اتم‌ها» است. این روش XRCD نامیده می شود.

هر رویکرد به تعریف کمی متفاوت از کیلوگرم می رسد. تغییرات در نتایج آنها ناچیز است – حدود 50 میکروگرم، که جرم تقریبی یک دانه نمک است.

بنابراین، تفاوت 50 میکروگرمی در اندازه گیری یک کیلوگرم، کمی شبیه وزن کردن یک آناناس در دو ترازو است، و اندازه های شما فقط حدود یک دانه نمک از یکدیگر فاصله دارند! فکر می کنید به اندازه کافی نزدیک است، اما حداد و رودیک در تلاش هستند تا این شکاف کوچک را از بین ببرند.

حداد می‌گوید: «اگر دو رویکرد کاملاً متفاوت برای اندازه‌گیری یک شی دارید و نتایج یکسانی دریافت می‌کنید، می‌توانید به آنها اعتماد کنید. وقتی به آن نقطه رسیدیم، همه می توانند مستقیماً واحد جرم را با تعریف اولیه اندازه گیری کنند. این‌ها شکاف‌های کوچکی هستند که ما در اینجا در مورد آنها صحبت می‌کنیم.»

حوزه ای از تأثیر اندازه گیری

رودیک اخیراً به پردیس NIST در Gaithersburg، مریلند سفر کرد تا مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌ها و آزمایش‌ها را انجام دهد تا ببیند چگونه رویکردهای دو کشور ممکن است بتواند به نتایج مشابه نزدیک‌تر شود.

رودیک یکی از آنها را به همراه آورد گردترین اجرام روی زمین– یک کره سیلیکونی کاملاً ساخته شده

ابتدا رودیک برای تمیز کردن کره باید رویه خاصی را دنبال می‌کرد تا محققان بتوانند از گرد و غبار و دیگر رسوبات کوچک روی جرم کره که بر اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذارد اجتناب کنند. سپس با احتیاط آن را به سمت تعادل کیبل برد و آن را روی بازوی رباتی قرار داد.

ساختن اندازه گیری جرم بهتر با کره و تعادل کیبل

حداد سعی کرد آزمایش تعادل کیبل را اجرا کند … اما چالش هایی در این راه وجود داشت. مسئله اصلی این بود که تعادل کیبل قبلاً یک جسم کروی شکل را اندازه گیری نکرده بود و باید برای اندازه گیری آن تنظیم می شد.

هر بار که محققان مجبور بودند تعادل کیبل را تغییر دهند، کره باید تمیز می شد و به آرامی در جای خود قرار می گرفت. این یک فرآیند خسته کننده بود که بیشتر بازدید یک هفته ای رودیک از NIST در ماه آوریل را به خود اختصاص داد.

رودیک و کره از آن زمان به آلمان بازگشته اند. کره در جعبه محافظ خود با رودیک به عنوان وسیله دستی خود حرکت می کند، هرگز در چمدان تحویل داده شده نیست. محموله آنقدر گرانبها است که نمی توان آن را تکان داد.

“گاهی اوقات سفر با آن در هواپیما کمی ترسناک است. شما هرگز نمی دانید که آیا ما قرار است به یک تلاطم برخورد کنیم یا نه، و این فقط آنجا نشسته است. خوشبختانه، بسیار قوی است و ما همیشه می‌توانیم آن را تمیز کنیم.» رودیک می‌گوید.

حداد و رودیک در حال برنامه‌ریزی یک سری آزمایشات دیگر هستند و امیدواریم که بتوانند تمام اندازه‌گیری‌های مورد نیاز را بدون مشکلات فنی انجام دهند.

من واقعاً برای بازگشت هیجان‌زده هستم. من در حال برنامه‌ریزی سفر دیگری هستم که زمان بیشتری برای انجام این اندازه‌گیری‌ها داشته باشیم.» رودیک گفت.

چرا تحقیقات بیشتری در مورد کیلوگرم مورد نیاز است؟

ممکن است تعجب کنید که چرا این همه تلاش برای اندازه گیری دقیق چیزی در یک دانه نمک لازم است. من هم تعجب کردم. از حداد پرسیدم: اصلاً چرا این کار لازم است؟

علاوه بر این که با روح تعریف مجدد کیلوگرم زندگی می کنید – هر کسی در هر آزمایشگاهی باید بتواند کیلوگرم را تا حد امکان دقیق تعریف کند – حداد گفت ما نمی دانیم که از این آزمایشات چه چیزی می آموزیم.

و به عنوان یک دانشمند، این برای او هیجان انگیز است. محققان باید بدانند چرا این شکاف در اندازه‌گیری‌ها رخ می‌دهد و چه کسی می‌داند که ما از آن چه می‌آموزیم.

برای محققان، علم برای ما بسیار جالب است و ما فقط می خواهیم دلیل آن را بفهمیم. آیا دلیل علمی دارد؟» او گفت. دانشی که از این آزمایش‌ها به‌دست می‌آوریم، کشف چرایی خطاها، می‌تواند به ما در بهبود علم اندازه‌گیری در آینده کمک کند.»