توزین از دیروز تا امروز

هر انسانی در سیاره ما از لحظه تولد تا مرگ و در سرتاسر دوران زندگی خود به نوعی متاثر از توزین و اندازه گیری بوده است. تمام محصولاتی که زندگی مدرن امروزه را تشکیل می دهند همگی در مراحلی از ساخت و توسعه خود اندازه گیری و توزین شده اند.

ساخت ابزار توزین و اندازه گیری بی تردید یکی از بزرگترین و مهم ترین اختراعات بشر بوده و جایگاه بالایی در انقلاب صنعتی دارد بطوریکه تجارت و بازرگانی بدون وجود یک سیستم هماهنگ اندازه گیری پیشرفت نخواهد کرد.

تاریخچه صنعت توزین معمولا از 3 نظر بررسی می شود:

1- تاریخچه فلسفه بهره گیری از توزین و توسعه دانش آن

2- تاریخچه تعریف وزن و بکارگیری آن در معاملات تجاری

3- تاریخچه ابراز و دستگاه های اندازه گیری

از هزاران سال پیش توزین با اندازه گیری وزن یک شئ یا مقایسه وزن دو شئ انجام می گرفته است. تصاویر یافت شده از تمدن های پیشین در بین النهرین بیانگر استفاده از ابزاری مشابه ترازوی شاهین دار می باشد که تا قرن حاضر نیز مورد استفاده قرار می گرفته است. مردم آن سرزمین از یک تکه چوب صاف آویزان شده از یک نخ به منظور توزین استفاده می کرده اند. دو سوراخ در هر طرف قطعه چوبی برای نگهداشتن کفه ترازو (قطعه چوب ) تعبیه می شده است. دقت و صحت ترازوی چوبی مستلزم یکسان بودن فاصله بین شاهین تا دو طرف قطعه چوبی بوده است. از اینرو قرارگیری سوراخ ها در محلی دقیق و همچنین حرکت ریسمان تاثیر زیادی در دقت این ترازو داشته است.


زمانی در انگلستان بصورت همزمان 6 واحد وزن پوند معادل 5400 تا 7680 دانه جو وجود داشت. واحدهای پوند مختلف برای کالاهای مختلف مثل طلا، پشم و... استفاده می شد. مشکل عدم وجود یک سیستم واحد اندازه گیری تا مدتها ادامه داشت چنانچه به مهمترین مشکل دانشمندان در قرن 18 تبدیل شده بود.

تولد سیستم متریک

در سال 1790 مجمع ملی فرانسه از دانشمندان خواست تا یک سیستم ثابت برای توزین و اندازه گیری پیشنهاد کنند گزارش ارائه شده توسط دانشمندان شامل یک سیستم مبتنی بر واحد طول معادل 10 میلیونیوم مسافت قطب تا استوا و واحد جرم معادل با جرم معادل یک متر مکعب از آب در نقطه صفر در نظر گرفته شد . یکای جدید سیستم اندازه گیری سیستم متریک خوانده شد. البته سالها بعد مرجع های دیگری مانند وزن برنج و وزن پلاتینیوم به عنوان کیلوگرم در اروپا بوجود آمد.

علاقه مندی بین المللی در زمینه استاندارد اندازه گیری به سرعت در حال رشد بود تا در سال 1870 و مجددا در سال 1872 دولت فرانسه جلسه ای برای بنیان گذاری استاندارد متریک تشکیل داد. در سومین جلسه در سال 1875 ، 18 کشور معاهده ای را پذیرفتند که طی آن یک کیلوگرم جدید از یک آلیاژ با 90% پلاتینیوم و 10% ایریدیوم ساخته شد. بعد از تلاشهای بسیار زیادی که در فرانسه انجام شد 3 قالب از آلیاژ مذکور توسط یک طلاساز به نام جرج ماتری جانسون از لندن در سال 1879به یک متالورژیست از فرانسه تحویل داده شد. این استوانه ها با کیلوگرم موجود در آرشیو مقایسه شد. تا سال 1883 کمیته بین المللی توزین متقاعد شد که جرم یکی از استوانه ها نسبت به کیلوگرم موجود در آرشیو غیر قابل تشخیص بوده است و این وزن به عنوان الگوی اصلی کیلوگرم انتخاب شد.


نسخه اصلی کیلوگرم استاندارد نگهداری شده در لابراتوار ملی فیزیک (NLP) انگلستان ميباشد.

هيچ كسنمي داند دليل اين كاهش وزن چيست، يا حداقل چرا وزن اين استوانه در مقايسه با سايروزنه هاي مرجع كاهش مي يابد، اما در هر صورت اين تغيير وزن عاملي شد تا يك جست وجويبين المللي براي يافتن تعريف دقيق تري از وزن صورت گيرد.

تلاش جهت یافتن استاندارد دقیق تر برای کیلوگرم.....

پيتر بيكر يكي از دانشمندان آزمايشگاه استانداردهاي فدرال، كه موسسه اي با 1500محقق است و كارش اختصاصاً توسعه روش هاي جديد براي اندازه گيري هرچه دقيق تر كميتهاست، در اين مورد مي گويد: «مطمئناً داشتن استانداردي كه به طور مرتب در حال تغييراست، مفيد نخواهد بود. » حتي تغييري به اندازه 50 ميكروگرم ـ كمتر از وزن يك دانهنمك ـ در يك كيلوگرم براي ايجاد خطا در محاسبات دقيق علمي كافي است.

دكتر بيكر سرپرست يك گروه بين المللي از محققاني است كه در جست وجوي راهي برايارائه تعريف جديدي از كيلوگرم برپايه تعداد اتم هاي يك عنصر خاص هستند. سايردانشمندان از جمله محققان انستيتو ملي و فناوري در واشنگتن، در حال توسعه فناوريديگري هستند كه كيلوگرم را با استفاده از مكانيسم پيچيده ديگري كه با عنوان ترازويوات شناخته مي شود تعريف كنند. تصميم نهايي نيز برعهده كميته بين المللي اوزان و مقادير، سازماني كه طي يك معاهده بين المللي در سال 1865 به وجود آمده است، قراردارد. اين سازمان حفاظت از كيلوگرم مرجع بين المللي را برعهده دارد و آنرا تحتتدابير شديد امنيتي در شاتو واقع در حومه پاريس نگهداري مي كند. اين استاندارد سالييك بار تحت تدابير شديد امنيتي توسط تنها سه نفري كه كليد آن را در اختيار دارند،مورد بازبيني قرار مي گيرد. اما تغيير وزن ايجاد شده خاطرنشان كرده است كه زمان كنار گذاشتن اين استاندارد براي انجام اندازه گيري ها فرا رسيده است. دكتر ريچارد ديويس رئيس قسمت جرم در بخش تحقيقات كميته بين المللي مي گويد: «اين كار قسمتي از وظايف ماست. اگر نتوان به مفاد پيمان نامه پايبند بود، لازم است كه تغييراتي در آن صورت گيرد.

كيلوگرم تنها مورد از هفت واحد اصلي اندازه گيري است كه از زمان تعريف آن در قرن نوزدهم تاكنون بدون تغيير مانده است. طي ساليان گذشته، دانشمندان در تعريف واحدهايي نظير متر (كه در اصل بر مبناي محيط زمين تعريف شده بود) و ثانيه (كه بر اساس كسرياز يك روز تعريف شده بود) تجديد نظر كرده اند. هم اكنون متر بر اساس فاصله اي كه نورطي يك ـ 458/692/299ام ثانيه طي مي كند، و ثانيه بر اساس مدت زماني كه طول مي كشد، اتم سزيم 660/631/192/9 مرتبه ارتعاش كند، تعريف مي شود.

هركدام از اين كميت ها را مي توان با دقت بسيار اندازه گرفت و نكته ديگري كه ازاهميت مشابهي برخوردار است آنكه در هر كجاي جهان مي توان آنها را دوباره ايجاد كرد. در ابتدا كيلوگرم بر اساس جرم يك ليتر آب تعريف شده بود، اما بعدها مشخص شد، كهاندازه گيري دقيق جرم يك ليتر آب بسيار مشكل است. يكي از عواملي كه باعث شد تا كيلوگرم از اين لحاظ از ساير واحدها عقب بماند، اين بود كه، سود عملي فوري براي افزايش دقت آن متصور نبود. بااين همه انحراف در وزن كيلوگرم استاندارد باعث ايجاد خطا در ساير اندازه گيري ها مي شد. براي مثال ولت بر اساس كيلوگرم تعريف مي شود، بنابراين تعريفي بر مبناي كيلوگرم پايدار منجر به آن مي شود كه تعريف ولت بر مبناي واحدهاي اصلي اندازه گيري با دقت هرچه بيشتر صورت گيرد.

حدود هشتاد نسخه از روي كيلوگرم مرجع، توليد و بين كشورهاي امضاكننده معاهده سيستم متريك توزيع شد. تاريخ پرشور اين استوانه كوچك فلزي بيانگر آن است كه كل جهان طي مدت هاي مديدي از تعريف واحدي براي كيلوگرم استفاده كرده است. بعضي از اين نمونههاي فلزي كه به كشورهاي امضاكننده اختصاص يافته بود بعدها ناپديد شد، از جمله نمونهاي كه در اختيار صربستان بود. ژاپن نيز پس از جنگ جهاني دوم مجبور شد نمونه خود را تسليم كند. آلمان نيز چند نمونه از آن را تحويل گرفت، از جمله يكي كه در سال 1889به ايالت باواريا اختصاص يافت و نمونه ديگري كه به آلمان شرقي تعلق گرفت.

استاندارد کیلوگرم و شمارش اتم ها

آلمان ضمن همكاري با دانشمندان ساير كشورها از جمله استراليا، ايتاليا وژاپن سرگرم ساخت يك كريستال دقيقاً كروي يك كيلوگرمي از جنس سيليكون براي روزآمد كردن كيلوگرم است. ايده ساخت اين نمونه بر اين مبنا قرار دارد كه با دانستن تعداد دقيق اتم هاي موجود در كريستال، فاصله آنها از يكديگر و اندازه كره، تعداد دقيق اتمهاي موجود در آن را مي توان حساب كرد. دانشمندان ايالات متحده، انگلستان، فرانسه و سوئيسمدعي هستند كه محاسبه تعداد دقيق اتم هاي سيليكون موجود در كريستال با استفاده از فناوري امروز از دقت كافي برخوردار نيست وبه همين دليل آنها سرگرم ابداع روشي براي محاسبه كيلوگرم با استفاده از ولتاژهستند.

ترازوی وات
دکتر اشتاینر یکی از دانشمندان انستیتو استاندارد و فناوری واشنگتن سرپرست یک طرح بین المللی برای ساخت ترازوی وات است. وی می گوید خطایی که در محاسبات ما وجود دارد چیزی کمتر از 10 قسمت در 10 میلیون است. ايده ترازويوات بر مبناي اندازه گيري نيروي الكترومغناطيسي مورد نياز براي برقراري تعادل با يككيلوگرم استاندارد است. از آنجايي كه ميدان گرانشي مكاني كه آزمايش در آن انجام ميگيرد با دقت زياد مشخص شده است، جرم مورد نظر را مي توان به قدرت الكترومغناطيسي مربوط ساخت .

اندازه گيري ميدان مغناطيسي بسيار پيچيده است و به اطلاعات زيادي از جمله تغييرات هر روزه نيروي جاذبه نياز دارد. بنابراين تعريف كيلوگرم بايد براساس اندازه گيري آن نيرو يا برحسب چيز ديگري كه از آن كميت اخذ شده است، مثلاً جرم يك الكترون تعريف شود. اين آزمايش ها در واشنگتن در حال پيگيري است، اما علي رغم پيچيدگي آنها و مسير پرپيچ و خم محاسبات جرم، دكتر اشتاينر مي گويد وي مطمئن است كه گروه وي به زودي خواهد توانست اطلاعات مجاب كننده را ارائه دهد. وي مي گويد ": خلاصه بگويم، فكر مي كنم ما برنده ايم "

دكتر ديويس كه عضو گروهي است كه تصميم گيري نهايي سرنوشت كيلوگرم را بر عهده دارند مي گويد، وي هنوز هم از سرنوشت اين طرح مطمئن نيست.

بسياري از دانشمندان بر اين عقيده اند كه بهترين روش براي تعريف كيلوگرم شمارش تعداد كلي اتم هاي يك عنصر خاص است. طرحي نيز در دستاجراست كه در آن تعداد اتم هاي طلا شمارش مي شود. اما تعداد بسيار زياد اتم هاي موجود در يك كيلوگرم، عددي تقريباً 25 رقمي، باعث مي شود انجام اين كار را در آينده نزديك غيرممكن جلوه دهد. وي مايل است ديدگاه خود را وارد دنياي اندازه گيري هاي بسيار دقيق كند. او مي گويد: «بسيار عالي خواهد بود اگر دو روش آزمايش متفاوت داشته باشيم كه يكديگر را تاييد كنند.