Live τώρα    
25°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Αίθριος καιρός
25 °C
23.2°C25.8°C
2 BF 33%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Αίθριος καιρός
24 °C
23.4°C26.8°C
2 BF 33%
ΠΑΤΡΑ
Αίθριος καιρός
21 °C
20.0°C24.8°C
2 BF 49%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Ελαφρές νεφώσεις
21 °C
20.2°C21.0°C
2 BF 69%
ΛΑΡΙΣΑ
Ελαφρές νεφώσεις
25 °C
24.0°C24.9°C
2 BF 33%
Ένα μέτρο «για όλους τους ανθρώπους και για πάντα»
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Ένα μέτρο «για όλους τους ανθρώπους και για πάντα»

Η φράση αποδίδεται στον Νικολά Ντε Κοντορσέ (1743-1794), Γάλλο μαθηματικό και φιλόσοφο, και αναφέρεται στην αποδέσμευση από την αυθεντία και τις διακρίσεις ανάμεσα στους ανθρώπους. Είναι ενδεικτική του πώς οι εξελίξεις κατά τη διάρκεια της Γαλλικής Επανάστασης επηρέασαν τις προσπάθειες για την καθιέρωση και βελτίωση ενός διεθνούς μετρικού συστήματος, προσπάθειες που συνεχίζονται μέχρι και σήμερα.

Μέσα στη νέα χρονιά που διανύουμε θα αλλάξουν οι ορισμοί τεσσάρων βασικών μονάδων μέτρησης του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (Le Systeme International d’unites, S.I., ή Μετρικό Σύστημα). Οι μονάδες αυτές είναι το αμπέρ (ampere), το χιλιόγραμμο (κιλό), το κέλβιν και το μολ (mole), τα οποία χρησιμοποιούνται στη μέτρηση του ηλεκτρικού ρεύματος, της μάζας, της θερμοκρασίας και της ποσότητας ύλης αντιστοίχως. Τον Οκτώβριο του 2017, το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (International Bureau of Weights and Measures) συνήλθε με σκοπό να εξετάσει τους νέους ορισμούς και, σύμφωνα με το χρονοδιάγραμμα, οι προτεινόμενοι νέοι ορισμοί θα παρουσιαστούν σε συνέδριο τον Νοέμβριο του 2018 με σκοπό να τεθούν σε ισχύ από το 2019.

Οι μονάδες μέτρησης εκφράζουν τη σύγκριση με ένα πρότυπο μέγεθος. Για παράδειγμα, όταν λέμε «5 μέτρα» και γράφουμε «5 m» εννοούμε ότι έχουμε συγκρίνει το μήκος που μετρήσαμε με ένα πρότυπο μήκος, το μέτρο (m). Προφανώς, θα πρέπει αυτό το μήκος να πληροί δύο προϋποθέσεις: Να είναι το ίδιο για όλους και να είναι σταθερό, δηλαδή να μη μεταβάλλεται με τον χρόνο.

Ένα μέτρο για όλους τους ανθρώπους

Η πρώτη προϋπόθεση ήταν αυτή που οδήγησε την επιστημονική κοινότητα στην αναζήτηση ενός πρότυπου συστήματος μονάδων. Μέχρι τον 17ο αιώνα, στην κατακερματισμένη Ευρώπη επικρατούσε ένα πανδαιμόνιο συστημάτων μέτρησης. Κάθε χώρα, κάθε περιοχή είχε τις δικές της μονάδες μέτρησης, οι οποίες στηρίζονταν σε υποκειμενικά χαρακτηριστικά και μεθόδους, καθιστώντας σχεδόν αδύνατη τη μετάφραση των μετρήσεων από το ένα σύστημα στο άλλο. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας (ατμομηχανή, σιδηρόδρομοι) και της επιστήμης, άρχισε να γίνεται αντιληπτό ότι θα έπρεπε να υπάρξει μια μετάβαση σε ένα καθολικά αποδεκτό μετρικό σύστημα.

Για την Ιστορία, η έννοια του μετρικού συστήματος πιστεύεται ότι εισήχθη από τον Βρετανό φυσικό φιλόσοφο Τζον Γουίλκινς τον 17ο αιώνα. Ο Γουίλκινς πρότεινε τότε μια μονάδα μήκους, η οποία πήρε το όνομα «μέτρο», προερχόμενο από την ελληνική μετάφραση της λέξης measure, δηλαδή μέτρηση. Ο πρώτος ορισμός του μέτρου προέκυψε από το μήκος ενός εκκρεμούς με ημιπερίοδο ίση με ένα δευτερόλεπτο, ήταν δηλαδή ένας πειραματικός προσδιορισμός μονάδας μέτρησης, βασισμένος στην πεποίθηση ότι αποτελεί μια πιο αντικειμενική προσέγγιση ενός προτύπου από ό,τι η αναφορά, για παράδειγμα, στο μήκος ενός ποδιού. Αν και αυτό ισχύει, ακόμα και ένας τέτοιος πειραματικός προσδιορισμός δεν δίνει ένα σταθερό μήκος σε όλες τις τοποθεσίες της Γης, διότι εξαρτάται από την ένταση της βαρύτητας. Η τελευταία γνωρίζουμε ότι μεταβάλλεται με το γεωγραφικό πλάτος αλλά και το υψόμετρο. Παρ’ όλα αυτά, ο ορισμός αυτός πλησιάζει αρκετά στο μέτρο που γνωρίζουμε σήμερα.

Κατά τη διάρκεια της Γαλλικής Επανάστασης, πολιτικοί, κυρίως, λόγοι οδήγησαν στην καθιέρωση ενός νέου ορισμού του μέτρου και στη θεμελίωση ενός προτύπου συστήματος μονάδων. Συγκεκριμένα, το μέτρο ορίστηκε πλέον ως το 1/10.000.000 της απόστασης από τον Βόρειο Πόλο ώς τον Ισημερινό, κατά μήκος του μεσημβρινού που διέρχεται από το Παρίσι.

Από τότε έγινε φανερό ότι σκοπός ενός μετρικού συστήματος είναι να αποτελείται από μια σειρά από βασικές μονάδες μέτρησης, οι οποίες να αντιπροσωπεύουν θεμελιώδη μεγέθη. Όλα τα μετρήσιμα μεγέθη των επιστημών θα μπορούν, επομένως, να προκύπτουν από αυτά τα βασικά μεγέθη με βάση μαθηματικές σχέσεις.

Ένα μέτρο για πάντα

Μετά το Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, αποφασίστηκε από τη διεθνή κοινότητα να θεσπιστεί ένα πρότυπο μετρικό σύστημα το οποίο θα χρησιμοποιείται παγκοσμίως. Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, το μετρικό σύστημα πήρε τη σημερινή του μορφή. Αποτελείται από εφτά βασικά μεγέθη, των οποίων οι μονάδες ορίστηκαν εκ νέου, λαμβάνοντας υπόψη τις πιο πρόσφατες επιστημονικές εξελίξεις. Τα μεγέθη αυτά είναι τα εξής: μήκος, χρόνος, ηλεκτρικό ρεύμα, θερμοκρασία, ποσότητα ύλης, μάζα και ένταση φωτεινότητας. Ο σκοπός του νέου αυτού συστήματος είναι, επιπλέον, τα μεγέθη αυτά να μη μεταβάλλονται με τον χρόνο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο ορισμός του δευτερολέπτου.

Αρχικά, το δευτερόλεπτο ορίστηκε ως 1/86.400 της ηλιακής ημέρας. Αν και φαινομενικά πρόκειται για έναν αντικειμενικό ορισμό, στην πραγματικότητα η ημέρα επιμηκύνεται κατά 1,4 χιλιοστά του δευτερολέπτου κάθε αιώνα, με αποτέλεσμα το δευτερόλεπτο να είναι μια μεταβλητή ποσότητα. Για αυτό τον λόγο, πλέον το δευτερόλεπτο ορίζεται με βάση τη μετάβαση δύο υπέρλεπτων ενεργειακών σταθμών της θεμελιώδους κατάστασης του Καισίου-133. Με βάση αυτό τον ορισμό και με δεδομένη τη σταθερή ταχύτητα του φωτός, ορίστηκε και το μέτρο ως η απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε διάστημα ίσο με 1/299.792.458 δευτερόλεπτα.

Τα παραπάνω μας δείχνουν επίσης τη σημασία να οριστούν οι μονάδες των θεμελιωδών μεγεθών με βάση όχι πειραματικές διατάξεις, αλλά θεμελιώδεις σταθερές της φύσης, όπως η ταχύτητα του φωτός, η Σταθερά του Πλανκ κ.λπ. Για αυτό τον λόγο η διεθνής κοινότητα αποφάσισε να ορίσει τέσσερις μονάδες μέτρησης με βάση νέες πειραματικές μεθόδους, των οποίων τα αποτελέσματα θα εξαρτώνται είτε από άλλες θεμελιώδεις μονάδες ή από σταθερές της φύσης. Με αυτό τον τρόπο θα αποφευχθεί η πιθανότητα να μεταβάλλονται τα πρότυπα μεγέθη με τον χρόνο και θα μειωθούν τα σφάλματα στον προσδιορισμό τους. Σε ό,τι αφορά τα τελευταία, αυτά επηρεάζουν σημαντικά και τις μετρήσεις παράγωγων μεγεθών, καθώς μεταφέρονται και αυξάνονται όταν κάνουμε υπολογισμούς.

Η περίπτωση του κιλού (χιλιόγραμμο) είναι χαρακτηριστική. Το πρότυπο χιλιόγραμμο είναι η μάζα ενός κυλίνδρου από ιριδιούχο λευκόχρυσο, ο οποίος φυλάσσεται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών των Σεβρών, στη Γαλλία. Πέραν του πρωτοτύπου, φυλάσσονται και αρκετά επίσημα αντίγραφα του κιλού. Αν και το υλικό του κυλίνδρου έχει επιλεγεί ώστε να εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή σταθερότητα της μάζας του, στην πραγματικότητα μετρήσεις έχουν δείξει ότι η μάζα των αντιγράφων έχει μεταβληθεί κατά τον τελευταίο αιώνα κατά τουλάχιστον 50 χιλιοστά του γραμμαρίου. Μια τέτοια μεταβολή μπορεί να θεωρηθεί ασήμαντη όταν μετράμε μάζες βαρύτερες του προτύπου κιλού, όταν όμως χρησιμοποιούμε το πρότυπο κιλό για να μετρήσουμε μάζες πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερες, αυτή η μεταβλητότητα του προτύπου οδηγεί σε πολύ μεγάλα σφάλματα μέτρησης. Επομένως, το πρότυπο χιλιόγραμμο μας δείχνει με γλαφυρό τρόπο την ανάγκη να ορίζονται οι μονάδες των θεμελιωδών μεγεθών με έναν σταθερό και αντικειμενικό τρόπο.

Η λύση

Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα στον ορισμό του κιλού, έχει προταθεί μια πειραματική διάταξη η οποία θα συγκρίνει τη μηχανική ισχύ με την ηλεκτρομαγνητική. Η διάταξη χρησιμοποιεί πηνία, ηλεκτρικά κυκλώματα, μαγνητικά πεδία και λέιζερ με σκοπό να παράγει μετρήσεις της μάζας οι οποίες θα εξαρτώνται αποκλειστικά από τη Σταθερά του Πλανκ. Αντίστοιχα, πειραματικές διατάξεις έχουν προταθεί για τον προσδιορισμό του αμπέρ, του κέλβιν και του μολ. Όταν οι προτεινόμενες αλλαγές τεθούν σε ισχύ, το μετρικό σύστημα θα αποτελείται από ένα σύνολο θεμελιωδών μονάδων μέτρησης οι οποίες θα προσδιορίζονται μόνο με βάση τις θεμελιώδεις σταθερές της φύσης.

Θεμελιώδεις σταθερές

Οι θεμελιώδεις σταθερές της φύσης, οι οποίες θα χρησιμοποιούνται από το νέο μετρικό σύστημα είναι η ταχύτητα του φωτός, το φορτίο του ηλεκτρονίου, η Σταθερά του Πλανκ, η Σταθερά του Μπόλτζμαν και ο Αριθμός Αβογκάντρο. Το χαρακτηριστικό των σταθερών αυτών είναι ότι είναι παγκόσμιες και δεν μεταβάλλονται καθώς περνά ο χρόνος. Η ιστορία της καθεμιάς έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον και θα μπορούσε να γραφτεί ένα άρθρο μόνο για αυτές. Εδώ ωστόσο θα περιοριστούμε σε λίγες βασικές πληροφορίες.

Η σταθερή ταχύτητα του φωτός (c) αποτελεί ένα από τα δύο αξιώματα στα οποία στηρίζεται η Θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Σύμφωνα με αυτό το αξίωμα, η ταχύτητα του φωτός είναι η ίδια ανεξάρτητα από το σύστημα αναφοράς στο οποίο τη μετράμε. Αυτή η ιδιότητα επιβάλλει τη χρήση συγκεκριμένων μαθηματικών σχέσεων στην περιγραφή των κινήσεων όταν αυτές γίνονται με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Με τη γενίκευση της Θεωρίας τη Σχετικότητας, ο Αϊνστάιν διατύπωσε μια νέα θεωρία για τη βαρύτητα, η οποία επιβεβαιώθηκε και πάλι στις μέρες μας μέσω της ανακάλυψης των βαρυτικών κυμάτων.

Το φορτίο του ηλεκτρονίου (e) ή αλλιώς το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο είναι η μικρότερη μετρήσιμη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου. Το ηλεκτρόνιο ανακαλύφτηκε στα τέλη του 19ου αιώνα έπειτα από μια σειρά πειραμάτων τα οποία είχαν να κάνουν με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, με την εκπομπή φωτός από καθοδικούς σωλήνες κ.ά. Η ανακάλυψή του οδήγησε στην κατανόηση της δομής της ύλης και έδωσε μεγάλη ώθηση στην ανάπτυξη της σύγχρονης Ατομικής Θεωρίας.

Η Σταθερά του Πλανκ (h) συνδέεται με την ενέργεια που μεταφέρεται από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και τα λεγόμενα κβάντα ενέργειας, τα στοιχειώδη ποσά ενέργειας που εκπέμπονται ή απορροφώνται κατά τη διάρκεια θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων. Τα κβάντα ενέργειας χρησιμοποιήθηκαν από τον Αϊνστάιν για την περιγραφή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, για την οποία τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ. Η ερμηνεία αυτή επηρέασε σημαντικά την ανάπτυξη της φυσικής θεωρίας που περιγράφει τα φαινόμενα του μικρόκοσμου, δηλαδή της Κβαντομηχανικής.

Η Σταθερά του Μπόλτζμαν (k) συνδέει τη θερμοκρασία ενός αερίου με την κινητική ενέργεια των ατόμων ή μορίων που το αποτελούν. Με αυτό τον τρόπο λειτουργεί σαν τον ενδιάμεσο κρίκο μεταξύ του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου.

Ο Αριθμός Αβογκάντρο (NA) είναι ο αριθμός σωματιδίων που περιέχεται μέσα σε ποσότητα ύλης ίση με ένα μολ. Συνδέει επομένως τη στοιχειώδη μάζα των σωματιδίων με τη μάζα δειγμάτων συγκεκριμένης ποσότητας σωματιδίων.

Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτές οι θεμελιώδεις σταθερές, μαζί με μερικές ακόμα που δεν αναφέρθηκαν εδώ, ορίζουν κατά κάποιο τρόπο τα όρια του αντιληπτού σε εμάς κόσμου. Αυτό γίνεται θέτοντας για παράδειγμα κάποιο ανώτατο όριο στην ταχύτητα με την οποία μπορούμε να ανταλλάξουμε πληροφορίες ή ένα ελάχιστο όριο ανιχνεύσιμου μήκους, φορτίου, θερμοκρασίας κ.λπ.

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL