بیگ بنگ: پایه های علم فیزیک تنها رشته ای از کمیت ها هستند. در بین این کمیات، طول ، جرم و زمان اصلی و بقیه مانند نیرو، سرعت،شتاب، انرژی، چگالی و … فرعی بوده و از کمیات اصلی مشتق می شوند. عدد تنها در فیزیک بی معناست. هر عددی باید با ابعادی از سه کمیت اصلی یاد شده مزین شود.

استاندارد طول: اولین استاندارد بین المللی طول میله ای از آلیاژ پلاتین و ایریدیوم بود به نام متر که در اداره بین المللی اوزان و ابعاد واقع در پاریس نگهداری می شد. هنگامیکه این میله به شکل مکانیکی معینی در دمای صفر درجه سانتی گراد قرار می گرفت، فاصله بین دو خط ظریف که بر روی دو بست طلایی در دو انتهای این میله حک شده بود، به عنوان یک متر تعریف شد. از نظر تاریخی متر به عنوان یک ده میلیونیوم فاصله قطب شمال تا استوا در امتداد پاریس تعریف شده بود که البته بعدها مشخص شد کمی با آن اختلاف دارد. نسخه های معتبری از این متر ساخته شد و برای آزمایشگاه های تعیین استاندارد در سراسر جهان ارسال گردید. در واقع تا همین اواخر، تمام میله ها یا وسایل اندازه گیری طول، اعتبار قانونی خود را توسط یک رشته مقایسه های دقیق و پیچیده با میکروسکوپ و ماشینهای تقسیم از متر استاندارد به دست می آورد.

با این همه دقت هنوز نمی توان به متر استاندارد برای احتیاجات فوق دقیق در علوم و فنون جدید اعتماد کرد! مقایسه و ساخت نسخه های دوم و سوم و … همیشه اندکی خطا باقی می گذارد(چگونه؟). امروزه به لطف پیشنهاد بینه (Babinet) برای استفاده از طول موج نور به عنوان استاندارد طول، این مشکل رفع شده است. تعبیه تداخل سنج ها یک وسیله نوری دقیق در اختیار دانشمندان قرار داد که در آن به کمک موج نور می توان طولها را با یکدیگر مقایسه کرد. با این روش می توان به دقتی بیش از یک در ده به توان ۹ دست یافت! در سال ۱۹۶۰ یک استاندارد اتمی برای متر اختیار شد. طول موج خط نارنجی – قرمز خاصی که در تخلیه الکتریکی کریپتون ۸۶ در خلا منتشر می شود، بدین منظور برگزیده شد. یک متر ۱۶۵۰۷۶۳٫۷۳ برابر این طول موج تعریف می شود. چرا این عنصر و ایزوتوپ ۸۶ انتخاب شده است؟

استاندارد جرم: استاندارد جرم در دستگاه SI ، استوانه ای از همان آلیاژ متر بوده و در همان اداره نیز نگهداری می شود. طبق توافق های بین المللی، جرم یک کیلو گرم به آن نسبت داده شده و استانداردهای دوم از طریق مقایسه با آن ساخته شده و برای سایر کشورها ارسال شده است. در مقیاس اتمی، استاندارد دیگری برای جرم وجود دارد که مربوط به جرم اتم کربن ۱۲ است.

استاندارد زمان: اندازه گیری زمان دو جنبه کاربردی مهم دارد. یکی تشخیص ترتیب زمانی رویدادها برای زندگی روزمره و برخی مقاصد علمی. دیگری که مهمتر است، برای اندازه گیری طول زمانی یک رخداد می باشد. بنابراین استاندارد منتخب زمان باید بتواند به این دو پرسش به خوبی پاسخ دهد : چه زمانی اتفاق افتاد؟ چقدر طول کشید؟

هر شخص هوشمندی برای اندازه گیری زمان به سراغ پدیده های تکرار شونده خواهد رفت. در این حالت اندازه گیری زمان به معنای شمارش تعداد تکرارهاست. چه مثالهایی را می توان برای این منظور پیدا کرد؟ مثالهای زیادی وجود دارد. از جزر و مد گرفته تا شب و روز و فصل ها و …، اما مثالهای دقیق تر عبارتند از : یک آونگ در حال نوسان، دستگاهی متشکل از جرم و فنر یا یک بلور کوارتز. امروزه از ساعتهای بلور کواتز به عنوان استانداردهای دوم زمان به خوبی استفاده می شود. این ساعتها که بر اساس ارتعاش متناوب بلور کوارتز با انرژی الکتریکی کار می کند، زمان را با خطایی که از ۰٫۰۲ ثانیه در سال تجاوز نمی کند، نشان می دهند. استاندارد دقیق تر زمان چیست؟ ساعتهای اتمی که بر اساس ارتعاش متناوب اتمها کار می کنند.

با ساعتهای اتمی می توان پیش بینی اختلاف زمانی نظریه نسبیت را در طبقات مختلف یک برج نشان داد. با این ساعتها همچنین می توان به تغییرات زمانی چرخش زمین در یک دوره تقریبا سه ساله پی برد. مثلا در نیمکره شمالی، زمان چرخش زمین در تابستان زیاد و در زمستان کم می شود و هرساله به طور یکنواخت کاهش می یابد. البته این پرسش پدید می آید که چگونه مطمئن باشیم که این تغییرات ناشی از چرخش زمین است، نه از خطای ساعتهای اتمی؟

نکته مهم دیگری که در نظریه نیوتن باید مورد نظر قرار گیرد، جهت است. حواس ما جهات مختلف را تا حدودی تشخیص می دهد. حتما می دانید که کبوتران و برخی دیگر از جانوران قادرند با استفاده از میدان مغناطیسی زمین، برای فواصل زیاد نیز جهت شمال و جنوب را تشخیص دهند. برخی کمیتها در نظریه نیوتن جهت دارند، مانند سرعت ، نیرو ، اندازه حرکت و …اگر خوب فکر کنید متوجه می شوید که مثلا جرم جهت ندارد، اما تعریف سرعت بدون جهت، مانند رانندگی در هر جهتی از خیابان است که می تواند به یک تصادف مهیب منجر شود! بنابراین حرکت به سمت چپ با همان حرکت، اما به سمت راست کاملا متفاوت است! برای مشخص نمودن کمیتهای جهت دار از بردار استفاده می شود. یک کمیت برداری علاوه بر اندازه عددی آن، دارای جهت نیز می باشد. جمع جرم دو جسم یک کیلویی برابر با دو کیلوست.

یعنی همان جمع اسکالر در ریاضی. آیا جمع دو نیروی یک نیوتنی همیشه برابر با دو نیوتن است؟ به هیچ وجه! جمع این دو نیرو از ۲ تا صفر می تواند تغییر کند. اگر نیروها در خلاف جهت یکدیگر عمل کنند، حاصل جمع آنها صفر است. به همین خاطر بهره وری شرکت های تولیدی اینقدر با یکدیگر متفاوت است. در صنعتهای ضعیف و بیمار یا نیرویی وجود ندارد و یا نیروها در خلاف جهت یکدیگر عمل می کنند! جمع و تفریق و ضرب و تقسیم بردارها، ریاضی مخصوص به خود را دارد که دانش آموزان با آن آشنا می شوند. هنگامیکه اصطلاح جهت به میان می آید، باید بتوانیم در طبیعت فرق میان خط مستقیم و منحنی را تشخیص دهیم. برخلاف تصور ، این کار واقعا مشکل است! در هر صورت در نظریه نیوتن فرض شده است که نور در خلا خط مستقیمی را طی می کند و از این مرجع طبیعی می توان استفاده کرد.

ادامه دارد »»»
نویسنده : احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ
منابع :
• فیزیک پایه ، دیوید هالیدی و رابرت رزنیک، ترجمه مهدی گلشنی و ناصر مقبلی، مرکز نشر دانشگاهی
• فیزیک برای سرگرمی ، پرلمان یاکوف ، ترجمه احسان قوام زاده