یکاهای اصلی: سنگبناهای اندازهگیری جهان ما
یکا و اندازهگیری: زبان مشترک علم
تصور کنید میخواهید قد یک دوست را برای خیاطی به او بگویید. اگر فقط بگویید «بلند است»، خیاط نمیداند دقیقاً چهقدر پارچه بردارد. برای حل این مشکل، بشر از دیرباز از یکا3 استفاده کرده است: مفاهیمی استاندارد برای بیان مقدار چیزی. مثلاً گز، ذرع یا متر برای طول. اما اگر هر کشوری یکاهای خودش را داشت، تجارت و ارتباطات علمی بسیار دشوار میشد. به همین دلیل، دانشمندان جهان به یک سیستم بینالمللی یکاها یا به اختصار SI توافق کردند. هستهی مرکزی این سیستم، هفت یکای اصلی هستند که مانند حروف الفبا، پایهی ساختن همهی واحدهای دیگر (مانند سرعت، نیرو، انرژی) را تشکیل میدهند.
هفت ستون: معرفی یکاهای اصلی SI
سیستم کنونی، بر هفت یکای اصلی استوار است. در گذشته تعریف برخی از این یکاها بر اساس نمونههای فیزیکی (مانند میلهای فلزی برای متر یا وزنهای برای کیلوگرم) بود، اما امروزه تعریف آنها بر پایهی ثابتهای بنیادین طبیعت است که همواره و در همهجا ثابت هستند. جدول زیر این یکاها را نشان میدهد:
| کمیت | نام یکا | نماد | تعریف مدرن (بر اساس ثابت طبیعت) |
|---|---|---|---|
| طول | متر | m | مسافتی که نور در خلا در $ \frac{1}{299,792,458} $ ثانیه میپیماید. |
| جرم | کیلوگرم | kg | برابر با جرم نمونهای بینالمللی (استوانهای از آلیاژ پلاتین-ایریدیم) که در فرانسه نگهداری میشود. (اخیراً تعریف آن بر پایهی ثابت پلانک4 اصلاح شده است). |
| زمان | ثانیه | s | مدت زمان 9,192,631,770 دوره از تابش مربوط به گذار بین دو سطح فوق ظریف اتم سزیم-133. |
| جریان الکتریکی | آمپر | A | جریان ثابتی که اگر در دو رسانای موازی بینهایت طویل که به فاصلهی یک متری در خلا قرار دارند، برقرار شود، نیرویی برابر با $ 2 \times 10^{-7} $ نیوتن به ازای هر متر طول ایجاد میکند. |
| دمای ترمودینامیکی | کلوین | K | $ \frac{1}{273.16} $ دمای نقطهی سهگانهی آب. (صفر کلوین، پایینترین دمای ممکن است). |
| مقدار ماده | مول | mol | مقدار مادهای که شامل تعداد $ 6.02214076 \times 10^{23} $ ذره بنیادی (اتم، مولکول، یون و...) باشد. این عدد عدد آووگادرو5 نام دارد. |
| شدت روشنایی | کاندلا | cd | شدت نور یک منبع که در جهت معین، تابش تکفام با بسامد $ 540 \times 10^{12} $ هرتز داشته و شدت تابش در آن جهت $ \frac{1}{683} $ وات بر استرادیان باشد. |
ساختن دنیایی از واحدها: از یکاهای اصلی تا یکاهای فرعی
زیبایی سیستم SI در این است که مانند یک لگو عمل میکند. شما با این هفت قطعه اصلی، میتوانید صدها واحد دیگر را برای اندازهگیری کمیتهای پیچیدهتر بسازید. این واحدهای جدید، یکاهای فرعی نامیده میشوند. برای مثال، سرعت را در نظر بگیرید. سرعت یعنی مسافت طی شده در واحد زمان. پس یکای سرعت از تقسیم یکای طول (متر) بر یکای زمان (ثانیه) به دست میآید که میشود m/s یا متر بر ثانیه. همینطور، مساحت حاصل ضرب دو طول است: $ m \times m = m^2 $ (متر مربع). حجم هم $ m^3 $ (متر مکعب) است.
یک مثال جالب دیگر، نیوتن (یکای نیرو) است. طبق قانون دوم نیوتن، نیرو برابر است با جرم ضربدر شتاب ($ F = m \times a $). یکای جرم kg و یکای شتاب $ m/s^2 $ است. پس یکای نیرو میشود: $ kg \cdot m/s^2 $ که به آن یک نیوتن (N) میگویند. میبینید که نیوتن خود از سه یکای اصلی کیلوگرم، متر و ثانیه ساخته شده است.
یکاها در عمل: از آشپزخانه تا فضاپیما
شاید فکر کنید این تعریفهای دقیق فقط در آزمایشگاههای پیشرفته کاربرد دارند. اما کاربرد آنها را هر روز میبینیم. وقتی با ترازوی دیجیتال وزن میشوید، در واقع جرم شما بر حسب کیلوگرم اندازهگیری میشود. این ترازوها با مکانیزمهایی کار میکنند که نهایتاً به تعریف بینالمللی کیلوگرم مرتبط هستند.
یا سیستم موقعیتیاب جهانی (GPS). این سیستم برای محاسبهی دقیق فاصلهی شما از ماهوارهها، به زمانسنجی فوقالعاده دقیق نیاز دارد. ساعتهای اتمی در این ماهوارهها بر اساس تعریف ثانیه (با استفاده از اتم سزیم) کار میکنند. کوچکترین خطا در اندازهگیری زمان، میتواند خطای بزرگی در موقعیتیابی ایجاد کند.
حتی در یک آزمایش سادهی مدرسه: وقتی میخواهید حجم یک مکعب را گزارش کنید، آن را بر حسب $ cm^3 $ (سانتیمتر مکعب) بیان میکنید. سانتیمتر خود یک جزء از متر است ($ 1 cm = 0.01 m $). پس گزارش شما ناخودآگاه به یکای اصلی متر وابسته است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
بله، دقیقاً همینطور است. نام رسمی یکای جرم، کیلوگرم است نه گرم. این یک استثنا در سیستم SI است. دلیل تاریخی دارد: زمانی یکای جرم بر اساس جرم یک لیتر آب خالص تعریف شده بود که تقریباً برابر یک کیلوگرم است. بنابراین، پیشوند kilo (به معنی هزار) از ابتدا در نام آن جا افتاد.
تعریف یکاها ممکن است با پیشرفت علم دقیقتر شود (مثل تغییر تعریف کیلوگرم از یک نمونه فیزیکی به ثابت پلانک)، اما تعداد و ماهیت کمیتهای اصلی به ندرت تغییر میکند. برای اضافه کردن یک یکای اصلی جدید، باید یک کمیت بنیادین جدید کشف شود که نتوان آن را از ترکیب کمیتهای اصلی موجود به دست آورد. تاکنون این هفت کمیت برای توصیف جهان فیزیکی در مقیاسهای معمول کافی بودهاند.
درجهی سانتیگراد (°C) که برای دمای روزمره استفاده میکنیم، یک یکای فرعی است. این یکا بر اساس یکای اصلی کلوین (K) تعریف میشود. رابطهی بین آنها این است: $ T(°C) = T(K) - 273.15 $. نقطهی صفر درجهی سانتیگراد، دمای ذوب یخ است، اما نقطهی صفر کلوین، پایینترین دمای ممکن (صفر مطلق) است که یک نقطهی طبیعی و ثابت در فیزیک محسوب میشود. به همین دلیل کلوین به عنوان یکای اصلی انتخاب شده است.
پاورقی
1یکاهای اصلی (Base Units): واحدهای مستقل و بنیادینی که دیگر واحدها از آنها مشتق میشوند.
2سیستم بینالمللی یکاها (International System of Units - SI): سیستم استاندارد جهانی برای اندازهگیری.
3یکا (Unit): مقدار معینی از یک کمیت که به عنوان معیار اندازهگیری قرار میگیرد.
4ثابت پلانک (Planck constant - h): ثابت بنیادین در فیزیک کوانتوم که رابطهی بین انرژی و بسامد یک فوتون را بیان میکند.
5عدد آووگادرو (Avogadro constant - NA): تعداد ذرات (اتمها، مولکولها و ...) در یک مول از هر ماده.
