تاریخچه مختصری از مترولوژی
خلاصه
در این مقاله، ما این آزادی را داریم که فرمول و رویکرد معروف استیون هاوکینگ را برای تأملی در مورد اندازهشناسی بازنویسی کنیم. در واقع مترولوژی دارای گذشته، حال و آینده است. گذشته با مجموعه ای غنی از وقایع مشخص شده است، که ما فقط به مواردی اشاره خواهیم کرد که منجر به چرخش های عمده شده است. تأثیر انقلاب فرانسه بدون شک یکی از آنهاست. حال مربوط به یک تحول مهم است که ورود مترولوژی به دنیای فیزیک کوانتومی با تغییرات مربوطه در سیستم بین المللی واحدها (SI) است. تصویری از وضعیت واقعی هنر فناوری اندازهشناسی ارائه شده است. آینده با نیاز مداوم به یک اندازهشناسی افزایشیافته، از نظر عملکرد و حوزه تحت پوشش مشخص میشود. از این نظر، اندازهشناسی نرم به نظر میرسد زمینه امیدوارکنندهای برای تحقیق و توسعه باشد.
معرفی
در این زمانها که تغییرات قابل توجهی در سیستم بینالمللی واحدها (SI) در حال وقوع است، ممکن است ارزش داشته باشد که یک ارزیابی کوتاه در مورد زمان و چرایی سؤال اندازهشناسی ایجاد شود. در واقع، تاریخ اندازهشناسی رویدادهای زیادی را شامل میشود. از آنجایی که کتاب ها و دوره های کافی قبلاً به طور کامل به این موضوع پرداخته اند ، ما در اینجا تنها مهم ترین آنها را برجسته می کنیم. تلاش برای درک مشکلاتی که با آن مواجه شدهاند، و سپس کدام پاسخ برای غلبه بر آنها پیدا شدهاند، بسیار جالب است.
انتخاب یک پایه اعداد
اندازهگیری عبارت است از تخصیص مقادیر عددی به کمیتهای در حال بازی، یعنی ارائه توصیفی تجربی و کمی از واقعیت.
این بدان معنی است که یک سیستم عددی واضح باید قبلاً تعریف شده باشد.
ما امروزه به مبنای اعشاری عادت کرده ایم و حتی گاهی اوقات آن را طبیعی می دانیم. در ضمن، انسان ده انگشت دارد.
اما تعداد زیادی از احتمالات دیگر را می توان در نظر گرفت. پایه 12، پذیرفتن مولفه های فرعی 2، 3، 4 و 6 عملی تر بود. همچنین اگر اجداد ما علم کامپیوتر را میشناختند، احتمالاً پایه هشتگانه (8) یا هگزادسیمال (16) را انتخاب میکردند.
یک پایه عددی معین که انتخاب میشود، یک سیستم واحد مرتبط منطقی باید از مضربها و ضریبهای فرعی ثابت استفاده کند، یعنی در مورد ما یک سیستم اعشاری. اما یک سیستم اعشاری برای مدت طولانی غیرعملی در نظر گرفته شده است، در برخی مسائل تجاری، به عنوان مثال، به اشتراک گذاری یک شی معین، ممکن است زمین، نان، بافت، و غیره باشد. بنابراین، بسیاری از سیستم های واحد باستانی از مقادیر غیر اعشاری برای زیر استفاده می کردند. مقادیری مانند 12، 20 یا حتی 60.
همین ملاحظات نیز به طور موازی، خارج از حوزه کمیت های فیزیکی، در حوزه ارزها اعمال می شود.
- برخی سردرگمیهای تاریخی که مترولوژی را با مشکل مواجه کرده است
سردرگمی بین وزن و حجم
تفاوت بین وزن و حجم در گذشته دور چندان واضح نبود. در واقع، مقدار اندازه گیری مربوط به وزن، برای مقدار معینی از کالا، دقیق است، در حالی که اندازه گیری حجم تقریبی است .برای اکثر کالاها، معادل وزن و حجم برای عملیات تجاری در طول قرن ها، حداقل، به عنوان مثال، برای کالاهای مایع کافی بود. اما بخش مهمی برای تجارت بذر بود. واضح است که در این زمینه سردرگمی ممکن است منجر به عدم دقت و به علاوه خیانت شود.
نهادهای حقوقی تمام تلاش خود را کردند تا پیامدهای این سردرگمی را در نظر بگیرند. به عنوان مثال، در فرانسه، وزیر کولبر (1670) مفاهیم “میزور راس” (سطح مسطح بشکه دانه) و “میزور ترکیب” (سطح منحنی بشکه دانه) را توضیح داد. با این حال، مقدار بذر به فشار اعمال شده بر سطح بالایی بشکه و سطح متقاطع بشکه بستگی دارد .
سردرگمی بین وزن و جرم
هنوز در زندگی کنونی، تمایز بین این دو پارامتر اغلب نادیده گرفته می شود، در حالی که وزن بسته به مکان، یک نیرو است و جرم یک عدد اسکالر و ذاتی یک جسم است.
سردرگمی بین دما و گرما
مشاهدات مشابه، یعنی تمایزی که امروزه هنوز نادیده گرفته شده است، مربوط به دما و شار گرما است. اما باید توجه داشت که تفسیر علمی هر دو مفهوم در اوایل تاریخ صورت گرفت. در زمان بولتزمن، هنوز اطلاعات کمی در مورد ساختار نزدیک ماده از نظر اتم ها و ذرات وجود داشت. و با وجود این، می توان یک نظریه برای ترمودینامیک مبتنی بر توزیع آماری انرژی های جنبشی ارائه داد.
به هر حال، همیشه می شنویم که مردم شکایت می کنند “من نمی توانم گرما را تحمل کنم” و غیره.
آیا فیزیک از قدرت سیاسی تبعیت می کند؟
برای مقادیر بسیار مهم برای تجارت، یعنی وزن و طول، تعریف واحدها از نظر پراکندگی جغرافیایی بسیار متنوع بود. این یک مانع آشکار برای معاملات عادلانه و کارآمد بود.
همانطور که خواهیم دید، در بسیاری از کشورها، مقامات سیاسی سعی کردند نظرات خود را در مورد این موضوع تحمیل کنند تا در عین حال، اقتدار خود را تأیید کنند.
مروری تاریخی
کهن ترین گذشته
چهار تمدن بزرگ باستانی، چین، هند، مصر و بین النهرین، همگی دانش اولیه مترولوژی را داشته اند.
در چین، اکتشافات باستان شناسی استفاده از سیستم متریک اعشاری را در 1600 سال قبل از میلاد نشان می دهد. در حدود 200 سال قبل از میلاد مسیح، در همان زمان که کل کشور متحد شد، یک سیستم واحد منحصر به فرد نیز در آن گسترش یافت.
ابعاد دقیق اهرام مصر شاهد یک تسلط پیشرفته است.
کارهای تحقیقاتی مهمی در این زمینه توسط دانشگاه پاریس رهبری شده است.
ثقلین شدن قلب در قضاوت روح. منبع: موزه بریتانیا
قرون وسطی و دوران سلطنت
اگرچه بسیار متفاوت است، اما این دو دوره تاریخی طولانی ویژگی های مشترکی در مورد اندازه شناسی دارند.
قدرت سیاسی در قرون وسطی بسیار پراکنده بود و برعکس تحت سلطنت بسیار متمرکز بود که گاه به مطلق گرایی محدود می شد. نظام فئودالی، که با پراکندگی مشخص میشود، به نحوی تحت سلطنت ادامه مییابد. مشکل اندازه شناسی در هر دو مورد یکسان بود: تأیید مرجعیت. هر پادشاه، ارباب، شورای شهر، صومعه و غیره تمایل داشت که واحدهای خود را به عنوان نشانه قدرت خود بر اساس اصل «شاه، قانون، وزن، میزان» تعریف کند.
از این رو تعداد زیادی واحد مختلف که با توجه به ماهیت کالا نیز متفاوت است اندازه گیری می شود. بنابراین، یک پوند وزن برای گندم، جو یا آرد متفاوت بود.
فقط برای نشان دادن مشکل (اما در واقع، نمونههای بیشماری از این موضوع میتوان ارائه کرد)، اندازهگیری سطوح در Généralité de Paris (محیط اطراف پاریس)، در سال 1780 – اگرچه یک تاریخ متأخر – از واحد arpent استفاده کرد. ، که حداقل 48 تعریف برای آن وجود دارد. علاوه بر این، هر یک از این تعاریف از واحدهای فرعی خاصی استفاده میکردند، طول پرچ در اینجا 20 فوت، آنجا 25 فوت، و در جای دیگر 22 فوت و 6 اینچ ارزش دارد .
پیشرفت ایلومینیسم و انقلاب فرانسه
مداخله انقلاب فرانسه در زمینه اندازه گیری و اندازه شناسی اهداف اجتماعی و اخلاقی داشت. سیستم واحد باید منحصر به فرد و برابر برای همه باشد، هدفی منطبق با شعار جمهوری، و با انتظارات مردم که توسط cahiers de doléances (کتاب های ادعای مردم) گردآوری شده است.
استفاده از سیستم اعشاری سادهسازیهای شدیدی را بهویژه برای تعیین سطوح و حجمها ایجاد کرد. این سادهسازیها برای هر شهروندی اعمال میشد و او را قادر میسازد تا مبادلات آسانتری با دیگران داشته باشد و از این رو رفاه عمومی را افزایش دهد.
در واقع، انقلاب هر دو چیز را تحمیل کرد که هنوز ناآشنا بودند، که عبارت بودند از اعداد اعشاری و یک سیستم واحد اندازه گیری ساده.
.در بیشتر حوزه ها، اصلاحات پیشنهادی موفقیت آمیز بود، و به تدریج توسط کشورهای دیگر، ابتدا در اروپا، و بعداً فراتر از آن، به تصویب رسید
اما باید توجه داشت که تلاش های انقلابیون در حوزه زمان بی نتیجه بود. هدف این بود که علاوه بر تقویم انقلابی، هفتههای 10 روزه، ساعتهای 100 دقیقهای و دقیقههای 100 ثانیهای اجرا شود. اما نحوه شمارش و نمایش ساعت ها و روزها برای همه آشنا است، به طوری که این اصلاحات همیشه نامحبوب باقی مانده و در نهایت هرگز اعمال نشد.
همچنین، پیشنهاد استفاده از ربع دهم میلیون بخش نصف النهار زمینی به دلیل انقلاب نبود، بلکه بسیار قدیمی تر بود که اولین بار توسط ریاضیدان فرانسوی گابریل موتون یک قرن قبل (1670) ارائه شد. این اتفاق درست دو سال قبل از اینکه مولیر نویسنده تئاتر فرانسوی در کتاب خانم های دانش آموخته وضعیت فعلی ذهن درباره زنانی که مایل به دسترسی به علم هستند را توصیف کند رخ داد: در آن زمان خیلی پیشرفته نبود.
از قرن 17 تا 21
تحولات اصلی در زمینه اندازهشناسی در این دوره اخیر، توسعه اکتشافات علمی، تشدید مبادلات و استقرار نهادهای بینالمللی بوده است.
1670 پیشنهاد برای یک واحد طول جدید بر اساس نصف النهار زمینی
1799 ایجاد سیستم متریک اعشاری
دو استاندارد پلاتین، نشان دهنده متر و کیلوگرم تولید شده است
1832، گاوس، ریاضیدان اتریشی، به شدت کاربرد سیستم متریک را، همراه با دومین تعریف شده در نجوم، به عنوان یک سیستم منسجم از واحدها برای علوم فیزیکی ترویج داد. اولین اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین انجام می شود
1860 مکسول و تامسون الزامات یک سیستم منسجم از واحدها با واحدهای پایه و واحدهای مشتق شده را فرموله کردند.
1880 تصویب IEC مجموعه ای منسجم از واحدهای عملی. از جمله آنها اهم برای مقاومت الکتریکی، ولت برای نیروی محرکه الکتریکی و آمپر برای جریان الکتریکی بود.
1875 امضای کنوانسیون متر، که BIPM را ایجاد کرد، CGPM و CIPM را تأسیس کرد و سیستم MKS را پذیرفت.
1889 اولین کنفرانس CPGM برگزار می شود
1901 پیشنهاد به اصطلاح منطقی جورجی، برای یک سیستم چهار بعدی منسجم، با افزودن به سه واحد پایه یک واحد چهارم، با ماهیت الکتریکی مانند آمپر یا اهم، و بازنویسی معادلات موجود در الکترومغناطیس.
1939 تصویب یک سیستم چهار بعدی بر اساس متر، کیلوگرم، ثانیه و آمپر و سیستم MKSA، پیشنهادی که توسط CIPM در سال 1946 تصویب شد.
1954 معرفی آمپر، کلوین و کاندلا به عنوان واحدهای پایه، به ترتیب، برای جریان الکتریکی، دمای ترمودینامیکی، و شدت نور.
1960 نام سیستم بین المللی واحدها با علامت اختصاری SI به سیستم داده شد.
1971 معرفی آخرین واحد پایه SI: مول، به عنوان واحد پایه برای مقدار ماده، که تعداد کل واحدهای پایه را به هفت می رساند.
1999 امضای CIPM-MRA (موافقتنامه شناسایی متقابل)، برای به رسمیت شناختن بین المللی استانداردهای اندازه گیری ملی
2018 تعریف جدیدی در مورد چهار واحد پایه در 7 اتخاذ شد
References
- J. Gyllenbok, Encyclopaedia of historical metrology, weights, and measures (Birkhaüser, Cham, 2018)
- B. de Garnier et al., Introduction à la métrologie historique (Economica, Paris, 1999)
- L.C. Hocquet, La métrologie historique (Presses Universitaires de France, Paris, 1995)
- N. de Courtenay et al., Measurement at the crossroads: history, philosophy and sociology of measurement , CNRS SPHERE, Paris, France, 27–29 June 2018
- JCGM, International vocabulary of metrology: basic and general concepts and associated terms (VIM) (BIPM, Paris, 2008)
- JCGM, Guide to the expression of uncertainty in measurement (BIPM, Paris, 2008)
- D. Barchiesi, Mesure physique et instrumentation (Ellipses, Paris, 2010)
- Bureau International des Poids et Mesures, On the revision of the International System of Units, 26e CGPM Versailles, 13-16 Nov. 2018
- F. Pavese, C. Abderafi, Int. J. Metrol. Qual. Eng. 7 , 403 (2016)
- M. Stock, Changes of the electrical units in the revised SI (BIPM, Paris, 2017)
- M. Stock, Metrologia 56 , 022001 (2019)
- IEEE Approved Draft Recommended Practice for Preferred Metric Units for Use in Electrical and Electronics Science and Technology – Revision of ANSI/IEEE Std 945-1984 (IEEE, 2019)
- Analytical Methods Committee, Anal. Methods 11 , 1577 (2019)
- I. Mills et al., Chem. Int. 41 , 32 (2019)
- L. Cocco, New trends and developments in metrology (InTech Open, Croatia, 2016)
- J.C. Krinicki, Introduction to “soft” metrology (XVIIIe IMEKO, Rio de Janeiro, 2006)