Bilim: Yeni bir ölçüm çağı geliyor, kimler etkilenecek?
Geçen yıl kilogram (kg), Kelvin (K), mol (mol) ve amper (A) temel birimleri yeniden tanımlandı. 20 Mayıs'ta (Dünya Metroloji Günü olarak da bilinir) yeni tanım yürürlüğe girecek ve metroloji dünyası büyük bir değişim yaşayacak. O zaman, bir dizi fiziksel sabit (elektronik yük gibi) artık hata çubukları taşımaz, ancak bu belirsizliğin ortadan kalkacağı anlamına gelmez, sadece ölçülen diğer miktarlara aktarılırlar.
Uluslararası Birimler Sistemindeki 7 temel birim.
Bu değişiklikler herhangi bir soruna yol açmamalıdır, çünkü hata ondalık noktanın çok gerisinde görünmektedir ki bu, çoğu bilim insanının deneylerde asla elde edemeyeceği yüksek bir doğruluk derecesidir. Ancak bu yine de bazı önemli etkiler getirecek: Örneğin, yeni uluslararası birimler sisteminde, yerçekimi testi ve ilaçlarla ilgili bazı ölçümler daha basit ve daha doğru hale gelecektir.
Uluslararası Birimler Sisteminin yeniden tanımlanmasının arkasındaki yol gösterici ilke şudur: Ölçü birimlerini temel sabitlere bağlayın . Örneğin, kilogram artık belirli bir artefaktın kütlesi ile tanımlanmayacak, ancak Planck sabiti (Kuantum mekaniğinin ölçeğini tanımlayan temel bir parametre). Uluslararası Ağırlık ve Ölçüler Bürosu Direktörü Martin Milton Yeni tanımı belirlemenin zor olmadığını söyledi.Zor olan, makroskopik kilogramı kuantum dünyasının Planck'ı ile birleştirebilecek bir deney gerçekleştirmektir.
Fransa, Seiffel'deki Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu'nda (BIPM) depolanan uluslararası prototip kilogram, platin-iridyum alaşımlı silindirdir. | Resim kaynağı: BIPM
Son birkaç on yılda, araştırmacılar kilogram ve Planck sabitini birbirine bağlayan iki deney geliştirdiler.
Kibble ölçeği Planck sabitini yüksek doğrulukla ölçebilir.Uluslararası Birim Sistemi yeniden tanımlandıktan sonra, herhangi bir standart kilograma başvurmadan kütleyi ölçebilir. | Resim kaynağı: NIST
İlk olarak Keble Ölçeği Çalışma prensibi manyetik alanda bobin kullanmaktır. Yukarı manyetik kuvvet Bir metal parçasını dengelemek için Aşağı doğru yerçekimi Bobindeki akım değiştirilerek manyetik kuvvet ayarlanabilmekte ve akım Planck sabitine göre ölçülmektedir. Bu şekilde Planck sabiti, akım boyunca kilogram ile ilişkilidir.
Uluslararası Avogadro Projesi, silikon-28 kristal kürede bulunan atomların sayısını ölçmek ve tahmin etmek için bir teknik geliştirdi. | Resim kaynağı: NIST
İkinci deney Uluslararası Avogadro Projesi tarafından tasarlandı.Bilim adamları önce 1 kilogram tekdüze silikon-28 kristali neredeyse mükemmel bir küre haline getirdiler ve ardından küreyi hesaplamak için X-ışını kristalografisi ve optik girişim tekniklerini kullandılar. Atomlarının sayısı ve ardından kütlesi ve Planck sabiti.
2017'de bu iki yöntem, standart kilograma dayalı olarak Planck sabit değerini verdi ve doğruluk 10ppb'ye (yani, milyarda on parça) ulaştı. Bu tür yüksek hassasiyetli ölçümler, bilim adamlarının Planck sabitini tanım standardı olarak kilogram yerine kullanmalarına olanak tanır. Bu nedenle, kilogram, daha önce Planck sabitinin ölçümünde ortaya çıkan belirsizliği miras almıştır. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde (NIST) fizikçi Stephan Schlamminger De ki: "Belirsizlik halının altındaki bir balon gibidir. Bir yere bastırabilirsin ama başka bir yerden çıkacaktır."
Peki bu 21 Mayıs'tan itibaren tüm ağırlık ölçümlerinin tekrarlanması gerektiği anlamına mı geliyor? bu doğru değil. Çoğu kütle ölçüm cihazı, 10 ppb'lik sıradaki değişiklikleri algılayacak kadar hassas değildir. Yaşanan tek kayıp, Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu'ndaki Uluslararası Proto-Kilogram oldu, çünkü standart tanım olan 1 kg'dan (belirsizlikle 0) kütle belirsizliği 10 mikrogramlık bir metal parçasına dönüştü. Ancak, daha basit ve daha güzel bir uluslararası birimler sisteminin kurulması açısından, bu fiyat aşırı değildir.
Amperin yeniden tanımlanması, diğer bazı standartların (volt ve ohm gibi) biraz değişmesine neden olacaktır. NIST fizikçisi Dave Newell Bu değişikliğin Amerika Birleşik Devletleri'nde elektrik standartları için birincil kalibrasyon hizmetleri sağlayan 24 laboratuvar için açık olduğunu söyledi. Bu standartlara göre kalibre edilen cihazlar sırayla diğer cihazları kalibre edecektir. Belirsizlik bu kalibrasyon zinciri boyunca yukarıdan aşağıya artacak, böylece Uluslararası Birimler Sistemini yeniden tanımlamanın etkisi sonunda fark edilmeyecek. Sonuçta, çoğu araştırmacının ondalık noktadan sonra 8 basamağa kadar doğru olması gerekmez.
Uluslararası birimlerin etkisinin bir kısmını yeniden tanımlayın.
Belki de küçük kuvvetlerin ölçülmesi, yeni Uluslararası Birimler Sisteminin daha belirgin bir etki göstermesini sağlayabilir. Küçük kuvvetlerin hassas kalibrasyonu uzun zamandır sorun olmuştur. Örneğin bazı yerçekimi testlerinde 1 miligram kadar küçük bir kütleye sahip bir cismin kuvvetini ölçmek gerekir. Mevcut uluslararası birim sisteminde, 1 mg'lık kalibrasyon standardının 1 kg'dan başlaması ve daha küçük kütleli çoklu karşılaştırmalarla etkili bir şekilde alt bölümlere ayrılması gerekir. Her kalite alt bölümü, ölçümün belirsizliğini artıracaktır. 1 kg'dan 1 mg'a, belirsizlik 10 ppb'den 100 ppm'ye (milyonda 100 parça), yani 10.000 kat artış olacaktır.
Yeni uluslararası birimler sistemiyle, gerekli doğruluk seviyesini doğrudan ölçebilen bir cihaz inşa ederek bu bileşik belirsizliği aşabiliriz. NIST araştırmacıları şu anda 10 gramlık bir düzende ölçüm yapabilen bir tezgah üstü Kibble ölçeği geliştiriyorlar. Milyonlarca dolara mal olan kilogram düzeyinde mama ölçekleriyle karşılaştırıldığında, bu ticari ölçekler yaklaşık 50.000 dolara mal oluyor. Daha küçük kalite seviyeleri için elektrostatik kuvvet ölçeği kullanmayı da seçebilirsiniz.Çalışma prensibi Kibble ölçeğindekine benzer, ancak bobinin manyetik kuvveti yerine kapasitörün elektrostatik kuvvetini kullanır.
İlaç endüstrisi, küçük kalite ölçeklerinden yararlanabilecek bir alan olabilir.Gelecekteki sözde kişiselleştirilmiş tıp çağında, sağlık personeli, hastalara DNA profillerine göre miligram düzeyinde doğru dozlar sağlayacaktır.
Ağırlığın ölçülmesine ek olarak, elektrostatik kuvvet ölçekleri ve mama ölçekleri de diğer kuvvetleri ölçmek için yatay yöne çevrilebilir. Örneğin, bir lazer ışınının elektrostatik bir cihaza takılı bir aynaya uyguladığı kuvveti ölçmek için kullanılabilir. Bu, Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalga Gözlemevi (LIGO) gibi yüksek hassasiyetli deneyler için daha doğrudan bir lazer gücü kalibrasyon yöntemi sağlayacaktır.
Milton, yeni Uluslararası Birimler Sisteminin avantajının, bu birim tanımlarını uygulamak için yeni yollar bulmak isteyenler için kapıyı açması olduğuna inanıyor, ki bu daha önce böyle değildi. Newell de aynı görüşe sahip: Artefaktları standart olarak kullanmadığımızda, laboratuvarın kendi dahili ekipmanını inşa edebileceğine ve bu ekipmanı doğrudan temel sabitlerle ilişkilendirebileceğine inanıyor. Sonunda, kalibrasyon için hiç kimsenin NIST veya diğer ekipmanlara güvenmesine gerek yok. Newell, "Aslında kendimizi işsiz bırakıyoruz" dedi.
Metrolojide yaklaşan devrim, bilim insanlarının ölçüm ekipmanıyla etkileşim şeklini değiştirebilir. Schlamminger, geçmişte ölçü birimi bir artefakt olarak tanımlandığında hedeflerinin sabit kalmak olduğunu söyledi: "Eserler için, zarar göreceğinden endişelendikleri için onu kullanmak konusunda isteksizler." Ancak Kibble gibi makineler İnsanlar onu kullanmaya teşvik edilir, çünkü onu ne kadar çok kullanırsanız, onu o kadar derin anlarsınız. Ve artefaktlardan farklı olan şey, makinenin iyileştirme için yerinin olması ve daha iyi olabilmesidir.
