שאלה של מידה

בתחילת שנת 2018 יתכנסו בצרפת פיזיקאים מכל רחבי העולם ויחליטו על עדכון אמות המידה הבסיסיות של המדע, כמו הגרם והמטר. תקנון המידות ייעשה לפי תכונות פיזיקליות בסיסיות, כמו תכונות האטום, מהירות האור ומטען האלקטרון.

מערכת היחידות הבינלאומית כוללת שבע אמות מידה בסיסיות שבעזרתן אנחנו יכולים למדוד כל דבר שעולה על הדעת. אמות המידה הללו משמשות להערכת מרחק, משקל, זמן, זרם חשמלי, טמפרטורה, כמות החומר ועוצמת האור הנראה.

המטר הוגדר לראשונה לקראת סוף המאה ה-18 בצרפת לפי קו האורך. אם לוקחים את קו האורך המתחיל בקוטב הצפוני, עובר דרך צרפת ומסתיים בקוו המשווה ומחלקים אותו ב-10 מיליון, מקבלים את המטר. יחידת המדידה הבסיסית לזמן, השנייה, הוגדרה עוד בימי הביניים כחלק ה-1/86,400 של היממה השמשית. הגרם הוגדר במקור כמשקלה של קוביית קרח שאורך פאותיה הוא סנטימטר בטמפרטורה שבה הקרח נמס (כארבע מעלות צלזיוס). כך מידת המשקל נגזרת ממידת המרחק (מטר).

מאוחר יותר, בסוף המאה ה-19, נוצר בצרפת האבטיפוס של הקילוגרם, שעשוי ברובו מטיטניום ולפיו מכייל העולם כולו את יחידת הקילוגרם. היחידות הנוספות הן אמפר, קלווין, מוֹל וקנדלה, שמשמשות (בהתאמה) למדידת עוצמת הזרם החשמלי, הטמפרטורה, כמות החומר ועוצמת האור הנראה. אלו היחידות של "מערכת היחידות הבינלאומית" (SI)

בעיית הכיול

ההגדרות של מידות אלו הן לא פעם בעייתיות. יחידת האמפר, לדוגמה, מוגדרת כעוצמת הזרם שעובר בין שני חוטים שאורכם אינסופי וקוטרם אפסי המרוחקים מטר זה מזה. מכיוון שאי אפשר לייצר חוטים כאלה, אי אפשר לכייל כמה זה בדיוק אמפר אחד. באותו אופן, משך היממה משתנה לפי עונות השנה ועל כן איננו מאפשר לכייל כראוי את השנייה, וכל שריטה בגליל הטיטניום שנוצר לפני 137 שנה תחסיר ממשקלו ותשנה את גודלו של הקילוגרם התקני.

הבעיות האלו אינן משפיעות כמובן על הציבור הרחב בצרכיו היומיומיים, אך מטרידות מאוד את המדענים. כדי שניסויים יצליחו נחוץ דיוק רב, ואי אפשר להשיג אותו אם איננו יכולים לכייל את היחידות בצורה מדויקת. לדיוק בכיול היחידות יש גם השלכות מעשיות מעבר למחקר תיאורטי. למשל כשרוקחים מכינים תרופות, הם צריכים לשלב בדיוק רב כמויות זעירות של חומרים לפי משקל.

לכן פיזיקאים רבים מבקשים להגדיר מחדש את אמות המידה כך שיכוילו לפי תכונות פיזיקליות בסיסיות. השנייה והמטר הוגדרו מחדש כבר לפני כמה עשורים. השנייה מוגדרת כיום על פי מספר המחזורים של מעבר קרינה בין רמות אנרגיה באטום הצסיום. המטר מוגדר לפי מהירות האור, והוא המרחק שקרן אור עוברת בחלק ה-1/299,792,458 של השנייה.

בכנס הכללי על משקלים ומדידות שנערך בצרפת אחת לארבע שנים, ויתקיים בתחילת 2018, יוחלט כנראה לעדכן גם את שאר אמות המידה. הקילוגרם יוגדר בעזרת קבוע פלאנק, שהוא גודל ממכניקת הקוונטים המקשר בין האנרגיה של פוטון (חלקיק אור) ותדירות הגל האלקטרומגנטי שהוא יוצר; האמפר ייקבע לפי מטען האלקטרון; יחידת הטמפרטורה, קלווין, תוגדר על פי קבוע בולצמן המקשר בין טמפרטורה ואנרגיה בתרמודינמיקה; והמול ייקבע לפי מספר אבוגדרו, שעד היום הוגדר לפי מספר החלקיקים בכמות מסוימת של פחמן, אך בשיטה החדשה יוגדר לפי מדידה של אטומי סיליקון בגביש.

הוועדה המייעצת לכנס (CCU) תאשר את ההגדרות המחודשות של אמות המידה רק אם יתקבלו מספר מדידות בלתי תלויות של הפרמטרים הנדרשים, כגון קבוע פלאנק, בדיוק גבוה במיוחד של שבע ספרות אחרי הנקודה העשרונית. קבוצות מחקר מארצות הברית, גרמניה, צרפת ואנגליה מיקדו בשנים האחרונות מאמצים רבים למדוד במדויק את הקבועים הנדרשים.

ואנחנו? הציבור הרחב כנראה לא יחוש בהבדל אחרי שאמות המידה יוגדרו מחדש. השעון יראה את אותה שעה ושקית הגרעינים תישאר באותו משקל. ובכל זאת, לא נהיה תלויים יותר בחתיכת מתכת השמורה מאחורי זכוכית מחוסמת בצרפת, ומדענים יוכלו למדוד את תכונות הטבע בצורה קצת יותר מדויקת.