היסטוריה של כמויות יסוד בפיזיקה

עם ההבנה הגוברת שלנו של קבועים בסיסיים, מערכת הגדרת המדדים הפיזיים הנפוצים בשימוש עבור סחר בינלאומי, עסקים ומדע עומדת להתחדש.

המערכת המטרית פותחה במהלך המהפכה הצרפתית והיא תחילתה של מערכת היחידות הבינלאומית הנוכחית (SI, Système International d'Unites בצרפתית). ה-SI הנוכחי נוצר רשמית בשנת 1960.

המערכת החדשה של משקלים ומידות באה בעקבות הצעה שהציע ג'ון וילקינס לפני מאה שנה, תוך שימוש במטר כיחידת המידה הבסיסית לקביעת אורך, נפח ומסה.

המטר שואב השראה ממחשבה קבועה טבעית להתקיים: עשר מיליון מאורך המרידיאן שעובר דרך פריז מהקוטב הצפוני ועד לקו המשווה.

לאחר הגדרת יחידות הנפח והמסה, הקילוגרם הוגדר כמסה של ליטר אחד של מים מזוקקים ב-4 מעלות צלזיוס. שני תקני העבודה הפלטינה לאורך ומסה המבוססים על הגדרות אלה הופקדו מאוחר יותר בארכיון פריז דה לה רפובליק ב-1799. במילותיו של המרקיז דה קונדורסה, נוצרה מערכת מדידה חדשה לגמרי "לכל הזמנים ולכל העמים".

שלושה ארגונים בינלאומיים, הוועידה הכללית למשקלים ומידות (CGPM), הוועדה הבינלאומית למשקלים ומידות (CIPM), והלשכה הבינלאומית למשקלים ולמידות הוקמו 76 שנים לאחר החתימה על אמנת המטרים (BIPM). מוטלת עליהם משימה טכנית להגן על ה-SI ועדיין ממשיכים לעשות זאת.

מערכת היחידות הבינלאומית (SI) היא מערכת תוססת ודינאמית שמסתגלת לצרכי מידע ומדידה חדשים, אך לעיתים איטית בהשוואה לקצב האדיר של ההתקדמות המדעית. למשל, במאות ה-18 וה-19 גילו פילוסופים ומדענים טבעיים שהם זקוקים ליחידות מדידה חדשות כאשר ניסו להשתמש במערכת האורך, המסה והזמן (הזמן המוגדר על ידי תצפיות אסטרונומיות) כדי למדוד תופעות שהתגלו לאחרונה כמו למשל. מגנטיות וחשמל, ומושג האנרגיה.

חלוצי המדע החדש, כמו קרל פרידריך גאוס, וילהלם ובר, ג'יימס קלרק מקסוול ולורד קלווין, תרמו להרחבת המערכת ועזרו לבסס את הבסיס התיאורטי למערכת קוהרנטית עם יחידות מכניות בסיסיות שמהן ניתן היה להפיק יחידות נגזרות. במידת צורך.

היחידות הנגזרות הקוהרנטיות היו תוצרים של נקודות החזקה של יחידות הבסיס של 1 עם קדם-פקטור, והמערכת סיפקה הסברים מפורטים כיצד ניתן ליצור את יחידות הבסיס באמצעות מדידה.

הכרונולוגיה באיור 1 מראה שלמרות תיקונים רבים, ה-SI עדיין כולל את מערך הליבה הזה של יחידות, כולל 7 יחידות בסיס (והגדרות נלוות ליישום שלהן) בתוספת 22 יחידות נגזרות עם שמות וסמלים ייחודיים. עם זאת, יש הסכמה בינלאומית גוברת לפתח את ה-SI שוב כדי לשקף את ההבנה המודרנית של העולם הפיזי. במקום להגדיר שבע יחידות בסיס ויחידות הנגזרות באופן עקבי, המסגרת המוצעת ל-SI עתידית תניח ערכים מדויקים עבור שבעת הקבועים הבסיסיים של הטבע שלגביהם יתממשו כל יחידות ה-SI. היחידות הבסיסיות ומשמעויותיהן אינן בשימוש עוד.

יצירת מערכת של יחידות

יש לקחת בחשבון את כל הכמויות הפיזיקליות והמשוואות המקשרות בין הגדלים הללו, כלומר עקרונות מקובלים של הפיזיקה, בעת פיתוח מערכת יחידה לביטוי כל המדידות הפיזיקליות.

זוהי דוגמה פשוטה לזוגיות; כאשר כוח F, מסה m, תאוצה a, מהירות v, אורך x וזמן t הם כולם כמויות והקשרים הם חוק התנועה השני של ניוטון והדינמיקה הבסיסית.

על ידי בחירה קפדנית של תת-קבוצה של הכמויות הבסיסיות העצמאיות, ניתן להשתמש בעקרונות המקובלים של הפיזיקה כדי להסיק ערכים אחרים כפונקציות של תת-הקבוצה שנבחרה.

אמנם ניתן לבחור את הכמויות החיוניות במגוון דרכים, אך כולן צריכות להיות מקיפות ולא מיותרות. לדוגמה, אם כל מה שאנחנו יודעים על העולם הפיזיקלי היו משוואה 1 (שש כמויות, שלושה אילוצים), בחירת כוח או מסה וכל שתיים מחמש הכמויות האחרות תגרום לקבוצה נפרדת של שלוש כמויות יסוד.

אבל עוד לא סיימנו. כדי לתאר במלואו את מערכת היחידות, עלינו לתת לכל כמות בסיס כמות ייחוס ייחודית.

כמות המסה הבסיסית ב-SI הנוכחי - אב הטיפוס הבינלאומי של הקילוגרם - היא דוגמה לממצאים ייחודיים כאלה שיכולים לשמש ככמות התייחסות (IPK). לחילופין, ביחסי שקילות אנרגיה

הקבוע h של פלאנק, מהירות האור c, מטען החלקיקים היסודיים e וקבוע k של בולצמן יכולים לשמש גם כהתייחסויות, מכיוון שהם אינוריאנטים עם ערכים ידועים.

זמן, אורך, מסה, זרם חשמלי, טמפרטורה תרמודינמית, כמות החומר ועוצמת האור הם שבעת הגדלים הבסיסיים המרכיבים את הזרם SI. הגדרות אלו משמשות ככמויות ייחוס מיוחדות. במילים אחרות, ההגדרות של יחידות בסיס - שניות, מטרים, קילוגרמים, אמפר, קלווין, שומות וקנדלות - הן כמויות ייחוס ב-SI הנוכחי.

מקור: physicstoday - דיוויד ניואל

דיוויד ניואל הוא יו"ר קבוצת המשימות של CODATA Fundamental Constants ופיזיקאי במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בגיית'רסבורג, מרילנד.

Günceleme: 27/10/2022 18:44