5 چیز غیر استاندارد عجیب درباره سیستم متریک

سیستم متریک مدرن – معروف به سیستم بین المللی واحدها یا SI – مدلی از ثبات و منطق است. اما در برخی موارد، به نظر می رسد که منطق به هم می ریزد. در این پست وبلاگ، برخی از این ویژگی‌ها و چرایی معنادار شدن آنها (بیشتر!) در پایان روز (یا تقریباً 86400 ثانیه، همانطور که ممکن است در NIST بگوییم) را بررسی خواهیم کرد.

1. چرا کیلوگرم (هزار گرم) به جای گرم، واحد اندازه گیری پایه است؟

در سیستم متریک، ما مقادیر را با استفاده از واحدهای مجزا بیان می کنیم، مانند طول بر حسب متر و زمان بر حسب ثانیه. اما واحد جرم یک کیلوگرم است – a هزار گرم (کیلو = هزار).

چرا خود گرم یک واحد پایه در SI نیست؟ خوب، برای شروع، زمانی ساختن اشیایی که دقیقاً یک گرم بودند سخت بود. کیلوگرم، که برابر با 2.2 پوند است، بسیار راحت تر و دقیق تر در تجارت روزانه مفید بود.

در طول انقلاب فرانسه، جمهوری جدید سیستم متریک را معرفی کرد که از اجسام طبیعی با اندازه یکنواخت به جای مثلاً طول پای یک فرد مهم یا دانه تصادفی جو. بنیانگذاران سیستم متریک گرم را به عنوان جرم یک مکعب 1 سانتی متری آب در دمای 4 درجه سانتیگراد (حدود 39 درجه فارنهایت) تعریف کردند. اما این اندازه تقریباً به اندازه پنج نخود سبز و وزن پنج کشمش است. این تعریف چندان کاربردی برای تجارت ندارد.

بنابراین فرانسوی‌ها شیء هزار بار سنگین‌تر ایجاد کردند – یک کیلوگرم – که مرجع بسیار مفیدتری بود. تا سال 1875، کیلوگرم در سطح بین المللی جا افتاد. هفده کشور، از جمله ایالات متحده، آن را امضا کردند معاهده متر، که ارجاعات توافق شده ای را برای طول و جرم ایجاد کرد.

در سال 1879، یک نمونه اولیه بین المللی برای کیلوگرم، معروف به “Le Grand K” در لندن ساخته شد و در فرانسه نگهداری شد. در سال 1889، Le Grand K استاندارد بین المللی اعلام شد. تا 20 مه 2019، زمانی که جهان با آن موافقت کرد، این استاندارد بین المللی جرم بود کیلوگرم را دوباره تعریف کنید از نظر ثابت های اساسی طبیعت. این بدان معناست که اکنون هر کسی که به اندازه گیری بسیار دقیق نیاز دارد می تواند از دستگاهی به نام a استفاده کند تعادل کیبل برای اندازه گیری دقیق یک کیلوگرم – نیازی به سفر به فرانسه نیست.

در حالی که کیلوگرم هنوز واحد رسمی بین المللی جرم است، NIST نحوه اندازه گیری گرم را با دستگاه های اندازه گیری دقیق جرم بازبینی کرده است. تعادل کیبل رومیزی نامیده می شود. بهبود توانایی ما برای اندازه‌گیری گرم برای تولیدکنندگان دارو، که می‌خواهند دوز دارو را به طور دقیق توزیع کنند، و برای ارتش و شرکت‌هایی که نیاز به ساخت قطعات دقیق برای الکترونیک، هوافضا و سایر کاربردهای حیاتی دارند، مفید است.

2. در نحوه شمارش دقیقه ها و ساعت ها چه چیز غیرعادی است؟

مخترعان سیستم متریک آن را به گونه ای طراحی کردند که استفاده از آن آسان باشد و مضربی از 10 نشان دهنده مقادیر مختلف است. مثلاً 10 میلی متر برابر با یک سانتی متر، 100 سانتی متر یک متر و 1000 متر یک کیلومتر است. این چیزی است که ریاضیدانان به آن سیستم پایه 10 می گویند.

اما ما زمان را کمی متفاوت می شماریم. ما هنوز کسری از ثانیه را به روش متریک بیان می کنیم. مثلا هزارم ثانیه یک میلی ثانیه است.

اما در مقیاس ثانیه و دقیقه، زمان سنجی به یک سیستم پایه 60 تبدیل می شود که در تکه های 60 شمارش می شود. وقتی به 60 ثانیه رسیدیم، یک دقیقه و 60 دقیقه برابر با یک ساعت می شود. دقیقه ها و ساعت ها واحدهای رسمی SI نیستند، اما برای استفاده در سیستم متریک پذیرفته می شوند.

انسان ها دلایل خوبی برای استفاده از سیستم های پایه 10 و پایه 60 برای شمارش داشتند. دانشمندان بر این باورند که تمایل ما به پایه 10 به این بستگی دارد تعداد انگشتانی که داریم. و در حالی که سیستم‌های اندازه‌گیری قدیمی‌تر اغلب تبدیل‌های پیچیده‌ای داشتند که شامل واحدهای مختلف می‌شد – مانند 6 فوت در یک اندازه – متریک در همان واحد باقی می ماند، با پیشوندهای ساده که مقادیر بالاتر یا کمتر را نشان می دهد.

به عنوان مثال، هنگامی که شما 1000 وات دارید، به آن کیلووات می گویند، در حالی که یک هزارم متر یک میلی متر است. منشا سیستم بیس-60 ما پیچیده تر است. مردمی که در یکی از اولین تمدن ها زندگی می کنند، سومری ها، اولین بار در حدود 3000 سال قبل از میلاد پایه 60 توسعه یافت

در حالی که دلایلی که آنها 60 را انتخاب کردند ناشناخته است، دانشمندان حدس می زنند که 60 عدد مناسبی برای محاسبات است. شصت به طور مساوی بر بسیاری از اعداد، از جمله 1-6،10، 12، 15، 20 و 30 بخش پذیر است. و اگر به انگشتان انسان برگردیم، می توانیم به راحتی با استفاده از بند انگشتان خود تا 60 بشماریم. بند انگشتان هر انگشت (به استثنای انگشت شست) را به سه قسمت تقسیم می کنند، بنابراین جمع چهار انگشت به 12 قسمت می رسد. اگر از شست و انگشتان دست دیگر خود برای شمارش 12 ثانیه استفاده کنید، مجموع 60 می شود.

از حدود 2000 سال قبل از میلاد مسیح، بابلی ها استفاده کردند پایه 60 برای مشاهدات نجومی، آسمان را به چند بخش تقسیم می کند. تا به امروز، کسری از درجه در آسمان هنوز در دقیقه و ثانیه بیان می شود. و در قرن دوم قبل از میلاد، هیپارخوس منجم یونانی از این سیستم برای تقسیم ساعت و دقیقه به 60 قسمت استفاده کرد.

3. چرا تعریف رسمی متر به جای طول یک جسم به واحد زمان مرتبط است؟

متر در ابتدا به عنوان یک ده میلیونم فاصله از خط استوا تا قطب شمال از طریق پاریس تعریف شد. در دهه 1790، دانشمندان فرانسوی اولین میله فلزی را ساختند که رسماً یک متر طول داشت. جانشینان آنها در سال 1889 نمونه اولیه متر بین المللی جدید و پایدارتری را ساختند.

اما در استفاده از اشیاء واقعی به عنوان متر رسمی مشکلاتی وجود دارد. برای یکی، برای کسی تقریبا غیرممکن است که دو میله با طول دقیقاً یکسان بسازد. گرما و عوامل دیگر نیز می توانند باعث شوند که اندازه نوار کمی تغییر کند.

امروزه متر دیگر بر حسب یک شیء فیزیکی ناکامل ناگزیر تعریف نمی شود. از سال 1983، متر بر اساس مسافتی که نور طی می کند در 1/299,792,458 ثانیه از طریق فضای خالی. هیچ چیز قابل اعتمادتر از سرعت نور نیست – این محدودیت سرعت برای جهان و یکی از دقیق ترین کمیت های اندازه گیری شده ما است.

اما یک مسئله کوچک وجود دارد: تعریف 1983 دقیقاً مشخص نمی کند که “ثانیه” چیست. بنابراین در سال 2019، متر رسمی برای گنجاندن تعریف رسمی دوم، که برابر با حدود 9 میلیارد “تیک” اتم سزیم است، اصلاح شد (به ما مراجعه کنید. سایت ساعت اتمی برای اطلاعات بیشتر).

چگونه گردترین جسم به کیلوگرم مربوط می شود

4. ممکن است فرازمینی ها کدام واحد متریک را عجیب ترین (و انسانی ترین) بدانند؟

در سیستم متریک مدرن، تمام واحدهای پایه با ثابت های طبیعت، مانند سرعت نور و بار الکترون، تعریف می شوند. تا آنجا که می توانیم بگوییم، به نظر می رسد که این ثابت ها در همه جای جهان یکسان هستند. و تا آنجا که می دانیم، فرازمینی ها همان مقادیر را برای این ثابت ها اندازه گیری می کنند که ما انجام می دهیم.

اما یک واحد پایه وجود دارد که بسیار مختص انسان است. آن واحد نامیده می شود کندلاکه در لاتین، اسپانیایی و ایتالیایی به معنای شمع است. این شمع که در اصل از روشنایی تخمینی یک شمع مومی منفرد گرفته می‌شود، واحد پایه برای «شدت نورانی» است، شدت یک جسم که توسط سیستم بینایی انسان درک می‌شود.

توجه داشته باشید که ما می گوییم “شدت یک شی که توسط سیستم بینایی انسان درک می شود.” به دلیل ویژگی‌های بینایی انسان، چشم‌های ما سطوح مختلفی از حساسیت را نسبت به رنگ‌های مختلف دارند. به عنوان مثال، نشانگرهای لیزری سبز برای ما روشن تر از نشانگرهای لیزری قرمز رنگ با همان قدرت به نظر می رسند. به همین دلیل، کاندلا برای اندازه گیری شدتی که از چراغ های جلو خودرو درک می کنیم بسیار مفید است. کندل ها همچنین برای عکاسی با نوردهی مناسب، ایجاد نورپردازی صحنه با تأثیر مورد نظر بر روی مخاطب و اطمینان از سطوح نور مطلوب در اتاق عمل استفاده می شوند.

تعریف دقیق کاندلا یک رنگ مرجع، سایه ای از زرد-سبز را مشخص می کند که چشم انسان بیشتر به آن حساس است، مربوط به نوری با فرکانس 540 THz است. (نگاه کنید به صفحه ما در candela برای تفکیک کامل تعریف.) از این رنگ مرجع، دانشمندان می توانند شدت درخشندگی رنگ های دیگر را محاسبه کنند.

دانشمندان بر این باورند که چشمان ما با این رنگ زرد-سبز سازگار است زیرا این رنگ بیشتر است سایه فراوان نور از خورشید که به سطح زمین برخورد می کند. همچنین این رنگی است که گیاهان به شدت منعکس می کنند. منطقی است که حساسیت انسان به این رنگ به آنها کمک می کند تا تشخیص دهند انواع مختلف پوشش گیاهی هنگام جستجوی غذا

فرازمینی ها ممکن است به رنگ دیگری در طیف حساس تر باشند، بر اساس ستاره (یا ستارگان) که بر روی سیارات اصلی آنها می درخشد. اگر روزی با هم تماس بگیریم، دانشمندان اندازه‌گیری از سیاره ما احتمالاً علاقه زیادی به دانستن اینکه بیگانگان چگونه می‌توانند کاندلا خود را تعریف کنند، خواهند بود.

5. چرا یک واحد متریک برای چرخش یا زاویه وجود ندارد؟

اگر در مورد آن فکر کنید، سیستم متریک بسیار مستقیم است. یک واحد برای طول وجود دارد، یعنی متر. با این حال، هیچ واحد پایه اساسی برای زاویه هندسی وجود ندارد، که برای اندازه‌گیری‌های مربوط به اجسام در حال چرخش در یک دایره بسیار مفید است. در جهان گرد و جهان منحنی ما، چرا یک واحد پایه به چرخش اختصاص داده نشده است؟

این فقط یک سوال فلسفی نیست: مسائل دنیای واقعی را ایجاد می کند. برای مثال، اندازه‌گیری‌های گشتاور، یا نیروی پیچش، واحدهای مشابه کمیت فیزیک معروف به «کار» دارند. کار، مصرف انرژی را وقتی که مثلاً وزنه‌ای را از روی زمین بلند می‌کنید، توصیف می‌کند. واحدهای هر دو “نیوتن متر” هستند. اگر اندازه گیری بر حسب نیوتن متر می بینید، ممکن است ندانید که این اندازه گیری گشتاور است یا کار.

برای رفع این مشکل، پیتر مور و بیل فیلیپس از NIST (بر اساس پیشنهادهای دیگران) پیشنهاد داده اند که رادیان به یک واحد اندازه گیری مبنا تبدیل می شود. مانند درجه، رادیان میزان زاویه یا چرخش در یک جسم را نشان می دهد. این دو واحد مشابه فارنهایت و سلسیوس هستند – هر دو یک چیز را اندازه گیری می کنند اما به روش های مختلف.

یک چرخش کامل به دور یک دایره برابر با 360 درجه است که معادل 2 π رادیان است (این به این واقعیت مربوط می شود که محیط یک دایره، همانطور که ممکن است از مدرسه به یاد داشته باشید، برابر است با 2 π برابر شعاع دایره). اما درجات و رادیان ها فقط با هم ارتباط برقرار می کنند مقدار یک زاویه؛ آنها واقعاً فقط اعداد بدون واحد پایه هستند.

تبدیل رادیان به یک واحد پایه همه چیز را به سطح بعدی می برد. آن را در ایده پخت بعد در امتداد قوس یک دایره با بیان یک زاویه بر حسب رادیان به عنوان یک واحد پایه، شما نه تنها مقدار زاویه را مشخص می کنید، بلکه دایره بودن بعد را نیز مشخص می کنید.

داشتن رادیان به عنوان یک واحد اساسی، مشکل دنیای واقعی را که قبلاً ذکر کردیم حل می کند. اکنون می توان نیروی پیچش را بر حسب نیوتون متر بر رادیان تعریف کرد. با این تعریف جدید، می‌توانید گشتاور را به‌عنوان مقدار انرژی در هر چرخش یک جسم نشان دهید، شاید مفهومی از نظر فیزیکی دقیق‌تر از آنچه قبلاً داشتیم.

و به طور کلی تر، واحد ساختن رادیان به سیستم متریک این امکان را می دهد که مفاهیمی مانند چرخش و زاویه ای که یک شی در آن جهت گیری می کند را به صورت بنیادی تری ارتباط دهد. این ایده هنوز در مرحله پیشنهاد است، اما در جامعه علم اندازه گیری در حال بحث است.

* * *

من مجبور بودم واقعاً اعماق (یا اصطلاحاً بسیاری از ابهامات) را برای شناسایی چیزهای غیرعادی در داخل و اطراف سیستم متریک بررسی کنم. همانطور که سیستم ها پیش می روند، به طور قابل ملاحظه ای ساده و سازگار است. چه انجام علم در آزمایشگاه یا دم کردن آبجو در انبارتان، متریک واقعاً می‌تواند زندگی شما را آسان‌تر کند، حتی در آن مواقع غیر استاندارد.