Η φυσική είναι πειραματική επιστήμη και συνήθως χρησιμοποιούμε αριθμούς για να περιγράψουμε τ? αποτελέσματα των μετρήσεων. Κάθε αριθμός που χρησιμοποιείται για να περιγράψει ποσοτικά ένα φυσικό φαινόμενο λέγεται φυσική ποσότητα. Ορισμένες φυσικές ποσότητες είναι τόσο θεμελιώδεις, ώστε μπορούμε να τις ορίσουμε μόνο με την περιγραφή του τρόπου μέτρησής τους. Ένας τέτοιος ορισμός λέγεται λειτουργικός ορισμός. Σε άλλες περιπτώσεις ορίζουμε μια φυσική ποσότητα περιγράφοντας ένα τρόπο υπολογισμού της από άλλες ποσότητες, που μπορούμε να μετρήσουμε. Μέτρηση της πρώτης κατηγορίας μπορεί να είναι η μέτρηση μιας απόστασης με χρήση κανόνα ή ενός χρονικού διαστήματος με τη χρήση χρονομέτρου. Στη δεύτερη κατηγορία μπορούμε, π.χ. να ορίσουμε τη μέση ταχύτητα κινούμενου αντικειμένου σαν την απόσταση που διανύθηκε (μετρημένη με κανόνα) διαιρεμένη με το χρόνο που απαιτήθηκε (μετρημένο με χρονόμετρο).

 

 

Σχ. 1 Η απόσταση του Βόρειου Πόλου από τον Ισημερινό είναι περίπου 10⁷ m.

 

Όταν μετράμε μια ποσότητα τη συγκρίνουμε πάντα με κάποιο πρότυπο αναφοράς. Όταν λέμε ότι μια Πόρσε 944 έχει μήκος 4,29 μέτρα εννοούμε πως είναι 4,29 φορές μακρύτερη από έναν κανόνα που ορίζουμε πως έχει μήκος ένα μέτρο. Ένα τέτοιο μέτρο ορίζει τη μονάδα της ποσότητας. Το μέτρο είναι μονάδα μήκους και το δευτερόλεπτο είναι μονάδα χρόνου. Όταν χρησιμοποιούμε έναν αριθμό για να περιγράψει μια φυσική ποσότητα πρέπει να πούμε και τη μονάδα που χρησιμοποιούμε^. αν λέγαμε πως μια απόσταση είναι «4,29» δε θα σήμαινε τίποτα.

 

Για να κάνουμε ακριβείς μετρήσεις χρειαζόμαστε μονάδες μέτρησης που δεν αλλάζουν και που μπορούν ν? αναπαράγονται από παρατηρητές σε διαφορετικούς τόπους. Όταν η Ακαδημία Επιστημών του Παρισιού υιοθέτησε στα 1971 το μετρικό σύστημα, όρισε το μέτρο να είναι το δεκάκις εκατομμυριοστό της απόστασης του Βόρειου Πόλου από τον Ισημερινό (Σχ. 1). Το δευτερόλεπτο ορίστηκε σαν το χρονικό διάστημα που χρειάζεται ένα εκκρεμές με μήκος ένα μέτρο για να αιωρηθεί από τη μία μεριά στην άλλη.

 

Αυτοί οι ορισμοί είναι δύσχρηστοι και δεν μπορούν ν? αναπαραχθούν εύκολα^. γι? αυτό αντικαταστάθηκαν από επιτυχέστερους ορισμούς. Από τα 1889 οι βασικές μονάδες ορίζονται από ένα διεθνή οργανισμό, το Διεθνές Συμβούλιο Μέτρων και Σταθμών (General Conference on Weights and Measures). Το σύστημα μονάδων, που ορίστηκε από τον οργανισμό αυτό, βασίστηκε στο μετρικό σύστημα και από τα 1960 είναι επίσημα γνωστό ως Διεθνές Σύστημα, ή SI (που είναι τα αρχικά της Γαλλικής ονομασίας, Syst?me International).

 

Χρόνος

 

Από τα 1889 ως τα 1967 η μονάδα χρόνου οριζόταν να είναι ένα ορισμένο κλάσμα της μέσης ηλιακής μέρας, δηλαδή του μέσου χρονικού διαστήματος ανάμεσα σε διαδοχικές μεταβάσεις του Ήλιου από το ψηλότερο σημείο του ουρανού. Το σημερινό πρότυπο, που υιοθετήθηκε στα 1967, είναι πολύ ακριβέστερο. Βασίζεται σε ατομικό ρολόι (Σχ. 2) που λειτουργεί με χρήση της διαφοράς ενέργειας των δύο κατώτερων ενεργειακών σταθμών του ατόμου του καισίου. Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (στα μικροκύματα) με την κατάλληλη ακριβή συχνότητα προκαλεί μεταπτώσεις από τη μία απ? αυτές τις καταστάσεις στην άλλη. Το δευτερόλεπτο ορίζεται να είναι το χρονικό διάστημα, που απαιτείται για 9.192.631.770 κύκλους αυτής της ακτινοβολίας.

 

 

Σχ. 2 (α) Η συσκευή NBS-6 είναι το πρότυπο ατομικής συχνότητας, που αναπτύχθηκε στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ. Αποτελείται από ένα σωλήνα μήκους 6 m που διατρέχεται από δέσμη ατόμων καισίου. Πετυχαίνει ακρίβεια μεγαλύτερη από ένα μέρος στα 10¹³ και, όταν χρησιμοποιείται σα ρολόι, έχει σταθερότητα τριών εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου το χρόνο. Ρολόγια που θα λειτουργούν με ένα μόνο ιονισμένο παγιδευμένο άτομο, ίσως μπορέσουν να πετύχουν ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια, δηλαδή ένα μέρες στα 10¹⁷. (β) Το Εθνικό Πρότυπο Χιλιόγραμμο Αρ. 20 του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας είναι ακριβές αντίγραφο του διεθνούς πρότυπου χιλιόγραμμου.

 

Μήκος

 

Το 1960 υιοθετήθηκε ατομικό πρότυπο και για το μέτρο^. αυτό χρησιμοποιούσε το μήκος κύματος του πορτοκαλοκόκκινου φωτός που εκπέμπουν τα άτομα κρυπτού (⁸⁶Kr) σε λυχνία εκκένωσης αίγλης. Το Νοέμβριο 1983 το πρότυπο μήκος αλλάχθηκε και πάλι πιο δραστικά. Ο νέος ορισμός του μέτρου είναι η απόσταση που διανύει το φως (στο κενό) σε χρόνο ίσο με 1/299.792.458 του δευτερολέπτου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το γεγονός ότι η ταχύτητα του φωτός ορίζεται να είναι ακριβώς 299.792.458 m/s^. κατόπιν ορίζουμε το μέτρο με βάση αυτόν τον ορισμό και τον παραπάνω ορισμό του δευτερολέπτου. Έτσι έχουμε ένα πολύ ακριβέστερο πρότυπο μήκους από εκείνο που βασιζόταν σε ένα μήκος κύματος φωτός.

 

Μάζα

 

Το πρότυπο μάζας κατασκευάστηκε από ορισμένη ποσότητα κράματος λευκόχρυσου-ιριδίου σε κυλινδρικό σχήμα. Η μάζα αυτή ορίζεται να είναι ένα χιλιόγραμμο^. φυλάσσεται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών των Σεβρών, κοντά στο Παρίσι (Σχ. 2β). Ένα ατομικό πρότυπο μάζας θα ήταν πιο θεμελιώδες, αλλά προς το παρόν δεν μπορούμε να μετρήσουμε μάζες σε ατομική κλίμακα με την ίδια μεγάλη ακρίβεια που πετυχαίνουμε σε μακροσκοπική κλίμακα.

 

Προθέματα μονάδων

 

Αφού ορίσαμε τις θεμελιώδεις μονάδες είναι εύκολο να εισάγουμε μεγαλύτερες και μικρότερες μονάδες για τις ίδιες φυσικές ποσότητες. Στο μετρικό σύστημα αυτές οι άλλες μονάδες είναι πάντα πολλαπλάσιες του 10 ή του 1/10 των θεμελιωδών μονάδων. Έτσι ένα χιλιόμετρο (1 km) είναι 1.000 μέτρα, ένα εκατοστόμετρο (1 cm) είναι 1/100 του μέτρου κτλ.

 

Τους πολλαπλασιαστικούς παράγοντες συνήθως τους εκφράζουμε σε εκθετική μορφή, δηλαδή 1.000 = 10³ κτλ. Σ? αυτό το συμβολισμό:

 

1 km = 103 m

και

1 cm = 10-2 m

 

Οι ονομασίες των πρόσθετων μονάδων παράγονται από τις ονομασίες των θεμελιακών μονάδων αν τους προσθέσουμε ένα πρόθεμα. Για παράδειγμα, το πρόθεμα «kilo-» (ελληνικά «χιλιο-»), συντομογραφικά k, δηλώνει πάντα μια μονάδα μεγαλύτερη κατά ένα παράγοντα 1.000^. έτσι
1 χιλιόμετρο         = 1 km       = 10³ μέτρα            = 10³ m
1 χιλιόγραμμο       = 1 kg       = 10³ γραμμάρια        = 10³ g
1 κιλοβάτ            = 1 kW      = 10³ βατ              = 10³ W

 

Ο πίνακας περιλαμβάνει προθέματα που έχουν υιοθετηθεί στο σύστημα SI με τις σημασίες τους και τις συντομογραφίες τους. Σημειώστε ότι τα περισσότερα από αυτά αφορούν μονάδες που είναι πολλαπλάσια του 10³.

 

Δύναμη	Πρόθεμα	Συντομογραφία
10-18	atto-	a
10-15	fempto-	f
10-12	pico-	p
10-9	nano-	n
10-6	micro-	μ
10-3	milli-	m
10-2	centi-	c
103	kilo-	k
106	mega-	M
109	giga-	G
1012	tera-	T
1015	peta-	P
1018	exa-	E

 

Πανεπιστημιακή Φυσική, Hugh G. Young, Τόμος 1
Εκδόσεις Παπαζήση