بازتعریف کیلوگرم و واحدهای اصلی SI توسط اندازه‌شناسان جهان با استفاده از ثابت‌های بنیادی

در ۱۶ نوامبر ۲۰۱۸، در داخل یک سالن کنفرانس در ورسای فرانسه، نمایندگان ۶۰ کشور به اتفاق آرا رأی دادند تا سیستم اندازه‌گیری جهانی را از اشیای فیزیکی جدا کنند. هنگامی که سیستم رأی‌گیری الکترونیکی رأی «بله» نهایی را ثبت کرد، نمونه اولیه بین‌المللی کیلوگرم (International Prototype of the Kilogram) — یک استوانه پلاتین-ایریدیوم که در سال ۱۸۸۹ ساخته شده و در زیر سه محفظه شیشه‌ای تودرتو در یک خزانه در خارج از پاریس نگهداری می‌شد — به عنوان مرجع نهایی جرم، فوراً منسوخ شد.[2][4]

مشکل این شیء فیزیکی، که با محبت «لو گراند کا» (Le Grand K) نامیده می‌شد، این بود که به آرامی در حال تغییر بود. طی یک قرن آلودگی میکروسکوپی و تمیزکاری، جرم آن تقریباً ۵۰ میکروگرم نسبت به نسخه‌های رسمی‌اش در سراسر جهان دچار انحراف شده بود. در اقتصاد جهانی که دوزهای دارویی و تولید کوانتومی به دقت فوق‌العاده‌ای وابسته هستند، یک واحد بنیادی که به اندازه وزن یک مژه نوسان می‌کند، یک آسیب‌پذیری حیاتی محسوب می‌شد.[2][6]

زبان تبلیغاتی و بازاریابی پیرامون «سیستم SI جدید» وعده یک انقلاب را می‌داد، اما واقعیت عملی فوری آن کاملاً برای عموم نامرئی بود. هنگامی که تغییرات رسماً در ۲۰ مه ۲۰۱۹ به اجرا درآمد، یک کیلوگرم سیب همچنان دقیقاً همان وزن را داشت و ترازوهای تجاری نیازی به کالیبراسیون مجدد پیدا نکردند. این تغییر کاملاً در زیرساخت‌ها رخ داد و لنگر سیستم متریک را از یک قطعه فلز به قوانین تغییرناپذیر مکانیک کوانتومی منتقل کرد.[1][3]

به جای یک استوانه فیزیکی، اکنون کیلوگرم با ثابت پلانک (که با h نشان داده می‌شود) تعریف می‌شود. کنفرانس عمومی اوزان و مقیاس‌ها (CGPM) مقدار دقیق ثابت پلانک را ۶٫۶۲۶۰۷۰۱۵ × ۱۰⁻³⁴ ژول-ثانیه تعیین کرد. از آنجایی که ژول را می‌توان به کیلوگرم، متر و ثانیه تجزیه کرد، تثبیت این ثابت به اندازه‌شناسان اجازه داد تا جرم را صرفاً از طریق روابط ریاضی تعریف کنند.[1][6]

برای درک اینکه چگونه یک ثابت مکانیک کوانتومی یک کیسه آرد را تعریف می‌کند، باید به ترازوی کیبل (Kibble balance) نگاه کرد. این ابزار چند میلیون دلاری، کشش گرانشی رو به پایین یک جرم فیزیکی را در برابر یک نیروی الکترومغناطیسی رو به بالا موازنه می‌کند. با اندازه‌گیری جریان الکتریکی و ولتاژ مورد نیاز برای معلق نگه داشتن کامل جرم، دانشمندان می‌توانند وزن دقیق را با استفاده از ثابت پلانک محاسبه کنند.[1][5]

این نیروی الکترومغناطیسی به دو پدیده کوانتومی متمایز متکی است: اثر جوزفسون (Josephson effect) که مربوط به ولتاژ است، و اثر کوانتومی هال (quantum Hall effect) که مربوط به مقاومت الکتریکی است. از آنجایی که هر دوی این اثرات شامل ثابت پلانک و بار بنیادی هستند، محققان می‌توانند جرم را بدون نیاز به ارجاع به یک استاندارد فیزیکی استخراج کنند.[5][6]

کیلوگرم آخرین شیء فیزیکی بود که کنار گذاشته شد، اما اولین واحدی نبود که به جهان انتزاعی منتقل شد. متر نیز در سال ۱۹۸۳ دستخوش تحول مشابهی شد. پیش از آن، متر توسط یک میله فلزی فیزیکی و بعداً توسط طول موج تابش کریپتون-۸۶ تعریف می‌شد. امروزه، متر صرفاً توسط سرعت نور در خلاء تعریف می‌شود که دقیقاً ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه تثبیت شده است.[1][6]

ثانیه، که دقیق‌ترین واحد در میان تمام واحدهای اصلی است، در سال ۱۹۶۷ بازتعریف شد. این واحد بر اساس رفتار اتم سزیم-۱۳۳ است. به طور خاص، یک ثانیه دقیقاً به عنوان ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ دوره تناوب تابش مربوط به انتقال بین دو سطح فراظریف حالت پایه بدون اختلال اتم سزیم-۱۳۳ تعریف می‌شود.[1][3]

رأی سال ۲۰۱۸ همچنین چهار واحد دیگر را متحول کرد: آمپر، کلوین، مول و کاندلا. آمپر، واحد جریان الکتریکی، قبلاً توسط یک آزمایش نظری غیرممکن شامل دو سیم موازی بی‌نهایت تعریف می‌شد. اکنون این واحد بر اساس بار بنیادی یک الکترون است که در ۱٫۶۰۲۱۷۶۶۳۴ × ۱۰⁻¹⁹ کولن تثبیت شده است.[1][4]

کلوین، واحد اصلی دما، از نقطه سه‌گانه آب جدا شد — یک حالت فیزیکی خاص که تکرار دقیق آن در آزمایشگاه‌های مختلف دشوار بود. اکنون این واحد به ثابت بولتزمن گره خورده است که در ۱٫۳۸۰۶۴۹ × ۱۰⁻²³ ژول بر کلوین تثبیت شده و اجازه می‌دهد دما با انرژی جنبشی ذرات اندازه‌گیری شود.[1][6]

مول، که توسط شیمیدانان برای اندازه‌گیری مقدار یک ماده استفاده می‌شود، قبلاً به عنوان تعداد اتم‌های موجود در ۱۲ گرم کربن-۱۲ تعریف می‌شد. این بدان معنا بود که مول به جرم کیلوگرم وابسته بود. اکنون مول یک عدد ثابت است، یعنی ثابت آووگادرو، دقیقاً ۶٫۰۲۲۱۴۰۷۶ × ۱۰²³ موجودیت بنیادی، که وابستگی آن به جرم را به طور کامل قطع می‌کند.[1][6]

کاندلا، که شدت نورانی را اندازه‌گیری می‌کند، همچنان به کارایی نورانی تابش تک‌رنگ با فرکانس ۵۴۰ × ۱۰¹² هرتز وابسته است که در ۶۸۳ لومن بر وات تثبیت شده است. این هفت ثابت با هم یک چارچوب ریاضی بسته و درهم‌تنیده را تشکیل می‌دهند که جهان فیزیکی را توصیف می‌کند.[1][3]

نتیجه، سیستمی است که در آن هر کسی با فناوری کافی می‌تواند واحدهای اصلی را در هر کجای جهان محقق سازد. مارتین میلتون، مدیر دفتر بین‌المللی اوزان و مقیاس‌ها (BIPM)، در جریان این رویداد تاریخی اظهار داشت: «این مهم‌ترین تصمیمی است که CGPM شاید در ۱۰۰ سال گذشته گرفته است.»[2]

با این حال، همانطور که اندازه‌شناسان به راحتی اعتراف می‌کنند، این امر یک چالش آموزشی ایجاد می‌کند. آموزش به یک کودک که کیلوگرم جرم یک بلوک فلزی خاص در فرانسه است، شهودی است؛ اما آموزش اینکه کیلوگرم از ثابت پلانک از طریق ترازوی کیبل استخراج می‌شود، نیازمند درکی در سطح دانشگاهی از فیزیک کوانتومی است.[2][4]

میراث رأی ورسای، نه تغییر در میزان وزن اشیا، بلکه ایجاد یک پایه و اساس دائمی برای اکتشافات علمی آینده است. با گره زدن سیستم بین‌المللی واحدها به ثابت‌های بنیادی طبیعت، جامعه علمی تضمین کرد که اندازه‌گیری‌های ما دیگر هرگز از واقعیتی که قرار است توصیف کنند، منحرف نخواهند شد.[2][4][6]