openscience

Ίσα Μέτρα και Σταθμά;

Αναρωτηθήκατε ποτέ πόσες φορές μέσα στη μέρα χρησιμοποιούμε τη λέξη «κιλό»; Για να ζυγίσουμε τα φρούτα και τα λαχανικά που αγοράζουμε, για να υπολογίσουμε το βάρος που χάσαμε χάρη στην καινούρια δίαιτα, για χίλιες δυο περιστάσεις, κάθε μέρα, πολλές φορές μιλάμε για κιλά και γραμμάρια. Πόσο όμως είναι ακριβώς το κιλό; Ποιός το όρισε και πότε σαν μονάδα μέτρησης;

Το κιλό, όπως και το μέτρο, ορίστηκαν αυθαίρετα ως μονάδες μέτρησης. Το μέτρο ήταν μέχρι πρόσφατα το μήκος μιας ράβδου από πλατίνα που φυλασσόταν στο Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Παρίσι. Ορίστηκε το 1791 από την Γαλλική Εταιρεία Επιστημών ίσο με ένα προς δέκα εκατομμύρια φορές την αποόσταση από τον Ισημερινό ως το Βόρειο Πόλο, ακολουθώντας τον μεσημβρινό που περνάει από το Παρίσι. Το κιλό από την άλλη, είχε οριστεί ως η μάζα ενός κυβικού δεκαμέτρου νερού που βρίσκεται σε θερμοκρασία 4 βαθμών Κελσίου. Το 1889 κατασκευάστηκε το Διεθνές Πρότυπο Κιλού, από κράμα πλατίνας και ιριδίου.

Πριν το κιλό και το μέτρο τι;

Η ανάγκη της μέτρησης, δηλαδή της σύγκρισης ανόμοιων αντικειμένων με βάση κάποιες σταθερές ποσότητες, γεννήθηκε για πρακτικούς λόγους, όπως οι εμπορικές συναλλαγές. Καθώς όμως κάθε κοινωνία έχει διαφορετικές ανάγκες, οι πρώτες μονάδες μέτρησης διέφεραν από τόπο σε τόπο και από πολιτισμό σε πολιτισμό.

Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν σαν πρότυπα φυσικά μεγέθη, όπως το μήκος του ποδιού, αλλά και άλλα, όπως το βάρος των κουκουτσιών του χαρουπιού, η διάρκεια της μέρας, η χρονική απόσταση ανάμεσα σε δύο πανσέληνους, κτλ. Μερικές από αυτές τις αρχαίες μονάδες διατηρήθηκαν μέχρι σήμερα, όπως οι ίντσες (το πλάτος του αντρικού αντίχειρα στη βάση του νυχιού) ή τα καράτια (το βάρος ενός κουκουτσιού χαρουπιού).

Παρότι όμως το μήκος του ποδιού, η απόσταση από τον αγκώνα ως τη βάση του μεσαίου δαχτύλου, δηλαδή ο πήχης κτλ. διαφέρουν από άνθρωπο σε άνθρωπο, επικράτησαν ως μονάδες μέτρησης για χιλιάδες χρόνια. Χαρακτηριστικό είναι ότι σε ένα ανάγλυφο που βρέθηκε στη Σαλαμίνα έχει αποτυπωθεί η σύγκριση μεταξύ του δωρικού και του αττικού ποδός. Για τους Αρχαίους Έλληνες ένα πόδι ήταν περίπου 31 εκατοστά, αν και ένα σημερινό αντρικό πόδι με νούμερο παππουτσιού 43 έχει μήκος 28 εκατοστά.

Κι αν τα μέρη του σώματος ήταν κατάλληλο σημείο αναφοράς για μικρές αποστάσεις, για μεγάλες χρησιμοποιήθηκαν μεγέθη όπως η οργιά, δηλαδή το μέγιστο άνοιγμα των χεριών στην έκταση, το βήμα, ίσο με 2,51 αττικά πόδια ή το μιλιάριο που ήταν ίσο με 1000 βήματα και απ’ όπου προέκυψε και το μίλι που χρησιμοποιείται ακόμα και είναι ίσο με 1609 μέτρα.

Όμως, από τους αρχαίους κιόλας χρόνους έγινε φανερό ότι οι μονάδες που βασίζονταν αποκλειστικά στο σώμα συχνά δεν ήταν ικανοποιητικά ακριβείς.. Έτσι γεννήθηκαν τα πρώτα όργανα μέτρησης από ξύλο ή μέταλλο. Πρόκειται για κοντάρια και χάρακες που χρησιμοποιούσαν οι Βαβυλώνιοι, οι Αιγύπτιοι, οι Έλληνες και οι Ρωμαίοι.

Πολύ αργότερα, το 1779, όταν πια προέκυψε η ανάγκη της διεθνούς συνεννόησης, επινοήθηκαν μονάδες με διεθνή ισχύ, τα μέτρα και τα γραμμάρια. Χρειάστηκε να περάσουν 181 χρόνια μέχρι να υιοθετηθεί το 1960 το Δειθνές Σϋστημα Μονάδων (S.I.) το οποίο καθιέρωσε παγκόσμιες σταθερές για τη μάζα, την θερμοκρασία και την φωτεινή ακτινοβολία, ενώ στη Φυσική χρησιμοποιούνται πλέον συστήματα που στηρίζονται θεμελιώδεις παγκόσμιες σταθερές, όπως η ταχύτητα του φωτός.

Μυστηριώδες αδυνάτισμα!

Ακόμα κι αν θεμελιώθηκαν πλέον οι σταθερές του κιλού και του μέτρου με τον τρόπο που είδαμε παραπάνω και κατασκευάστηκε το πρότυπο κιλό και το πρότυπο μέτρο, στην συνέχεια τα πράγματα θα επεφύλασσαν κι άλλες εκπλήξεις. Παρότι φτιαγμένα από λευκόχρυσο κι ιρίδιο, μέταλλα που επιλέχθηκαν για την καθαρότητα και την αντοχή τους, τα πρότυπα του κιλού και του μέτρου ως υλικά αντιμετώπιζαν τον κίνδυνο της φθοράς. Γι’ αυτό και φυλάχθηκαν σε άριστες συνθήκες, σε επτασφράγιστες θυρίδες. Κι όμως πρόσφατα βρέθηκε ότι το Διεθνές Πρότυπο του Κιλού, για κάποιον ανεξήγητο ακόμα λόγο, μετά από 118 χρόνια ξαφνικά... αδυνάτισε!

Το Διεθνές Πρότυπο του Κιλού συγκρίνεται περιοδικά με δεκάδες αντίγραφά του που φυλάσσονται σε άλλα μέρη του κόσμου. Από αυτήν την σύγκριση προέκυψε και το συμπέρασμα ότι ο πρότυπος κύλινδρος έχει αδυνατίσει κατά 50 μικρογραμμάρια, δηλαδή 50 εκατομμυριοστά του γραμμαρίου. Ο λόγος αυτής της μείωσης βάρους δεν έχει ακόμα πλήρως διελευκανθεί. Το μυστήριο έγκειται στο ότι όλα τα αντίγραφα φτιάχτηκαν από το ίδιο υλικό, τα περισσότερα ταυτόχρονα και φυλάχθηκαν στις ίδιες συνθήκες. Κι όμως, οι μάζες τους σταδιακά αποκλίνουν με αργό ρυθμό. Ακόμα δεν είναι καν ξεκάθαρο αν το πρότυπο είναι ελαφρύτερο ή αν τα υπόλοιπα «εθνικά» πρότυπα βάρυναν.

Στην επόμενη Γενική Συνέλευση Μέτρων και Σταθμών που προγραμματίζεται το Νοέμβριο στο Παρίσι θα προταθούν πιθανές λύσεις για την αντικατάσταση του προτύπου του κιλού από έναν ορισμό που θα βασίζεται σε φυσικές σταθερές. Αντίστοιχα έχει ορισθεί και ο βαθμός Κέλβιν για τη θερμοκρασία, ενώ το 1983 από την 17η Γενική Συνέλευση Μέτρων και Σταθμών είχε δοθεί νέος ορισμός για το μέτρο, ως εξής: Το μέτρο είναι το μήκος που διανύει το φως στο κενό σε χρόνο 1/299.792.458 του δευτερολέπτου ακριβώς. Αυτός ο ορισμός ισχύει μέχρι σήμερα.

Οι πιο τέλειες, οι πιο στρογγυλές σφαίρες του κόσμου

Παράλληλα με τις προσπάθειες για να δοθεί ένας νέος ορισμός του κιλού, έχει ήδη αρχίσει να κατασκευάζεται από ερευνητές του Εθνικού Ινστιτούτου Μετρήσεων της Αυστραλίας ένα νέο πρότυπο χιλιογράμμου. Γι’ αυτόν το σκοπό έχει χρησιμοποιηθεί μόνο ένας κρύσταλλος πυριτίου -28 που δημιουργήθηκε από Ρώσους και Γερμανούς επιστήμονες τα τελευταία 3 χρόνια. Από αυτό το υλικό θα δημιουργηθούν δύο σφαίρες. Η κάθε σφαίρα θα έχει διάμετρο 93 χιλιοστά θα ζυγίζει ένα κιλό ακριβώς και θα έχει ατέλειες μικρότερες των 35 εκατομμυριοστών του χιλιοστού. Πρόκειται για τις πιο τέλειες και τις πιο λείες σφαίρες του κόσμου. Εκτός από την τέλεια στρογγυλότητα και απαλότητα του κρυστάλλου, χάρη στη κατασκευή τους από ένα σταθερό υλικό έχουν ελαχιστοποιηθεί οι πιθανότητες να χαλάσουν ή να φθαρούν από υγρασία, διάβρωση ή επιμόλυνση.

 Ξέρατε ότι...

Αν το κιλό αδυνάτισε, εμείς παχύναμε! Πράγματι, συνεχίζοντας να μετράμε το βάρος μας κάνοντας σύγκριση με το αδυνατισμένο πρότυπο του κιλού, πλέον για κάθε ένα κιλό που μετράμε, πρέπει να προσθέτουμε και 50 μικρογραμμάρια. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι ένας άνθρωπος 65 κιλών θα ζυγίζει πλέον 65 κιλά και 3,25 μιλιγκράμ, δηλαδή περίπου 65,003 κιλά.