ישנן כמה דרכים לענות על השאלה, "מה הדבר העגול ביותר בעולם?", ולאן תפנו מכאן תלוי ככל הנראה ברמת הידע המדעי ובנואוס שלכם. לאלו מאיתנו שלא נוח להם מדי עם פיזיקה, למשל, התגובה הטבעית תהיה כנראה בנוסח "איזו מין שאלה זו? איך אני אמור למדוד מעוגלות?!"
לעומת זאת, אם קצת יותר נוח לכם עם מדע, המחשבה שלכם עשויה ללכת למשהו כמו תוצאה של הפלת מתכת מותכת למים מגובה רב - הדבר הקרוב ביותר על פני כדור הארץ לתת לה להתקרר באפס כוח משיכה, ואחת הדרכים המוקדמות ביותר שהתגלו לייצור המוני של תחמושת רובה ציד.
אבל אם אתם חנונים אמיתיים של מדע, יש רק תשובה אחת: כדורי הסיליקון של פרויקט אבוגדרו הבינלאומי (International Avogadro Project).
פזורים ברחבי כדור הארץ במוסדות רחוקים זה מזה כמו אוסטרליה, ארה"ב, גרמניה, יפן ועוד, מאוחסן אוסף של שבעה כדורים מלוטשים מאד ושמורים מאד. כל אחד מהם הוא צורה ייחודית, כמעט בלתי אפשרית מושלמת, שנוצרה על ידי קונצרן בינלאומי של מדענים וארגונים ממשלתיים, והם נוצרו למטרה אחת: לשנות את העולם ברמה בסיסית.
זה נשמע כמו סט לאיזה שובר קופות חדש של מארוול, אבל פרויקט אבוגדרו הבינלאומי - שיתוף פעולה של חוקרים מכל העולם שפעיל מאז תחילת שנות ה-90 - אמיתי ב-100 אחוז. זה הם שהזמינו את הכדורים, שנוצרו כולם בארגון המחקר המדעי והתעשייתי של חבר העמים (CSIRO), סוכנות ממשלתית אוסטרלית האחראית על מחקר מדעי, דקדקנית לפרטים.
אז עד כמה עגול הוא "עגול"? ובכן, נסחו זאת כך: המשטחים שלהם "כל כך חלקים שאם הם היו מוגדלים לגודל כדור הארץ, המרחק בין ההר הגבוה ביותר לאוקיינוס העמוק ביותר היה רק 3-5 מטרים", מציין המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST), אחד הארגונים המעורבים בפרויקט אבוגדרו הבינלאומי.
"מכשירים המוכרים בשם אינטרפרומטרים אופטיים אפשרו לחוקרים למדוד את רוחב הכדור עד דיוק ננומטר", הם מסבירים. "כל אחד מהם עלה כ-3.2 מיליון דולר והיה צורך בעבודת יד של יצרן עדשות מאסטר".
כל זה מגניב, יש להודות - אבל זה איכשהו מעלה את השאלה...
למה?
זוכרים שקודם נכתב שזו התשובה היחידה? ובכן, זה מה שנקרא "קדימון".
"פרויקט אבוגדרו […] נועד להשתמש בכדורי סיליקון מושלמים כדי לקבוע במדויק את הערך של קבוע אבוגדרו (קבוע פיזקלי בסיסי)", מציין מוזיאון פאוורהאוס (Powerhouse Museum), שבו מוחזק כדור אב-טיפוס מאז 2016.
משם, הם מסבירים, המטרה הייתה "להגדיר מחדש את הקילוגרם במונחים של קבוע אבוגדרו".
עכשיו, אתם אולי תוהים למה אנחנו צריכים או אפילו רוצים להגדיר מחדש את הקילוגרם, אבל, למעשה, יש סיבה ממש טובה לעשות זאת. עוד במאה ה-18, כשהמערכת המטרית התחילה לפעול לראשונה, ההגדרות הראשונות התבססו כולן על העולם הטבעי: המטר היה אמור להיות חלק ה-10,000,000 של המרחק על פני כדור הארץ מהקוטב הצפוני עד לקו המשווה לאורך המרידיאן של פריז; הליטר היה אמור להיות נפח של 1/1,000 ממטר מעוקב מים, הנמדד בנקודת ההיתוך של הקרח; והקילוגרם היה המסה של המים האלה בוואקום.
לאחר שקבעה את ההגדרות הללו, האקדמיה הצרפתית למדעים החלה להפוך את זה לרשמי. בשנת 1799, הם הזמינו חפצים פיזיים כדי להמחיש את היחידות: מוט פלטינה באורך מטר אחד בדיוק, וגליל במשקל קילוגרם אחד בדיוק - הידוע בחיבה בשם Le Grand K, או Big K.
זה לקח זמן מה, אבל המדידות החדשות הללו התגלו כפופולריות ברחבי העולם, ובשנת 1875, הסכם המטר (Treaty of the Meter) נחתם על ידי 17 מדינות - כולל ארה"ב אפילו - כדי להקים את הוועידה הכללית למשקלים ולמידות (General Conference on Weights and Measures). מעבדה קבועה בסוורה (Sèvres), ליד פריז, הוקמה כבית לאב-טיפוס הבינלאומי של המטרים והקילוגרמים, בעוד העתקים נשלחו לכל החותמים כדי לעזור להפיץ ולתקנן את הבשורה המטרית.
הייתה רק בעיה אחת.
אמנם מערכת זו של משקלים ומידות מדויקים, סטנדרטיים וניתנים לאימות הייתה טובה בהרבה מקודמותיה השונות, אך היה בה פגם קטלני: היא התבססה כולה על עצמים פיזיים. היקף כדור הארץ אולי נראה כמו קבוע בלתי משתנה של הטבע למי שהקימו את כל העניין, אבל למעשה הוא משתנה כל הזמן - ולמעשה, כל העניין היה דפוק מההתחלה, מאז שהמדענים עליהם הוטלה המשימה למעשה טעו ב-0.2 מילימטרים, ואף אחד לא תיקן את התוצאה הסופית.
מסיבה זו ומסיבות אחרות, במאה ה-20, אנשים החלו לתמוך בהגדרה מחדש של היחידות לפי קבועים טבעיים הרבה יותר מדויקים. המטר הוגדר במונחים של אורכי גל ראשונים של תדרי אור שונים, ובסופו של דבר בשנת 1983 כ"אורך הנתיב שעבר אור בוואקום ב-1/299,792,458 של שנייה" - אם אי פעם תהיתם איך אנחנו יודעים את מהירות האור עד למטר לשנייה המדויק, זו הסיבה.
השני, בתורו, הוגדר כ"משך הזמן של 9,192,631,770 תקופות הקרינה המקבילות למעבר בין שתי רמות העל-דקות של מצב היסוד של אטום צסיום-133". הטמפרטורה הייתה אמורה להיות מוגדרת לקבוע בולצמן, נתון מהתרמודינמיקה; המול - היחידה שבה אנו מודדים את הכמות של חומר כלשהו, נקבעה ככמות החומר של 6.02214076 * 10 בחזקת 23 גורמים אלמנטריים, המכונה קבוע אבוגדרו (זכרו את זה; זה יהיה חשוב).
אבל הקילוגרם? זה עדיין הוגדר רק כ-"המסה של גוש הפלטינה הזה שנעול במעבדות בסוורה".
עכשיו, זה היה לא נוח, אבל רק ב-1989 אנשים הבינו עד כמה זה באמת בעייתי. "כאשר [אב טיפוס הקילוגרם] נוצר לראשונה, נוצרו גם 40 העתקים זהים", הסביר דרק מולר בסרטון משנת 2013 בערוץ היוטיוב שלו Veritasium. "הם לא היו ממש זהים", הוסיף. "הייתה להם מסה שהייתה מעט שונה מה-Big K, אבל הסטיות האלה נרשמו".
אבל עד 1989, המסות של 40 הקילוגרמים הללו היו שונות במקצת - הן סטו עד 50 מיקרוגרם. "איזשהו תהליך פיזיקלי באמת שינה את המסה של הצילינדרים", הסביר מולר, "אבל איך זה בדיוק עבד נשאר עניין לספקולציות".
בלי קשר, זו הייתה בעיה גדולה. "לא יכולה להיות לך יחידה שמשנה את ערכה", הוא ציין, במיוחד כאשר היא כזו שבה יותר ממחצית משבע יחידות מערכת היחידות הבין-לאומית (SI) תלויות להגדרות שלהן. ברור שצריך לעשות משהו - אבל מה?
בשנת 2005, בישיבה ה-94 של הוועדה הבינלאומית למשקלים ולמידות, התקבלה המלצה רשמית לפיה יש להגדיר מחדש את הקילוגרם לפי קבוע אוניברסלי. ההימור הטוב ביותר, החליטה הוועדה, יהיה להשתמש בקבוע פלאנק.
אבל למדענים אחרים היו רעיונות חלופיים. "מכיוון שההגדרה הנוכחית של קבוע אבוגדרו תלויה במסה של חומר, מדענים טענו שהם יכולים לנצל את הקשר הזה על ידי עבודה לאחור", מסבירים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST). "עם זאת, ראשית, הם היו צריכים להגדיר את [הקבוע] בדיוק רב יותר - עם אי ודאות יחסית של 20 חלקים למיליארד בלבד - על מנת שהגדרה חדשה של קילוגרם המבוססת על קבוע אבוגדרו תתחרה ברמת הדיוק והאמינות עם התקן הנוכחי".
ביסודו של דבר, התוכנית הייתה לבנות אובייקט כלשהו מכמות ידועה בדיוק של חומר ידוע מאד, ולאחר מכן להגדיר את הקילוגרם לפי זה. זה אולי נשמע כאילו אתם עומדים להיתקל באותה בעיה כמו קודם - שאתם מגדירים יחידה המבוססת על אובייקט פיזי - אבל למעשה, זה הרבה יותר חכם מזה.
כדורי הסיליקון מספקים הרבה יותר ממה ש-Big K יכל אי פעם. "גם אם כדורי הסיליקון יאבדו או ייפגעו, לא תהיה לכך השפעה על הגדרת הקילוגרם", הסביר מולר, "מכיוון שהוא יוגדר לא על ידי עצם פיזי אלא על ידי קונספט".
עם זאת, אם ההגדרה שלכם ליחידת בסיס סטנדרטית בינלאומית תלויה בספירת מספר האטומים באובייקט, אתם צריכים להיות ממש ממש מדויקים בחשבונאות שלכם - וזו הסיבה שהכדורים צריכים להיות כל כך עגולים.
"הכדור נבחר כצורה האידיאלית מכיוון שאין לו פינות או קצוות (כדי למזער גריסה ובלאי)", מסבירים בפאוורהאוס, "ובגלל - בתנאי שניתן לייצר כדור מושלם מספיק - שניתן לחשב את הנפח מפרמטר מדידה אחד (קוטר)".
בינתיים, הוא ממשיך, "סיליקון נבחר על פני אלמנטים אחרים […] מכיוון שכבר קיימים תהליכים בשלים לייצור ומניפולציה של סיליקון בטוהר גבוה במיוחד מתעשיית האלקטרוניקה". הוא גם נוח, עבור ערך נתון של "נוח": המסה של איזוטופ סיליקון-28 ידועה, והפרמטרים המרחביים של סריג הגביש שלו קבועים, שניהם עוזרים בחישוב מספר האטומים בכדור .
יצירת הכדורים הייתה תהליך ארוך וגלובלי: על החוקרים "לגדל" מטילי סיליקון; צוות אחר ילטש, יחליק ויעצב אותם לכדורים מדויקים עד לרמה האטומית. ואתם עשויים לחשוב שהכל היה בזבוז זמן - אחרי הכל, ההגדרה שנבחרה בסופו של דבר הייתה, כמובן, זו שהתבססה על קבוע פלאנק.
אבל "למרות שמדעני מדידות בחרו בקבוע פלאנק כבסיס להגדרה מחדש, ניתן להשתמש גם בקבועים אחרים של הטבע", מציינים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST), "ללא כל סיבה אחרת מלבד לספק בדיקה שהגדרת הקבוע של פלאנק נכונה".
והיי: לכל הפחות יצאו מזה כדורים נוצצים באמת. וזה לא דבר רע, ללא ספק.
מקורות:
קטעים מ- This Is The Roundest Thing On The Planet. Why Did Anyone Bother To Make It מאת IFLScience שנכתב ע"י: Dr. Katie Spalding.
קטעים מ- Kilogram: Silicon Spheres and the International Avogadro Project מאת The National Institute of Standards and Technology (NIST)
קטעים מ- Silicon spheres for the future realization of the kilogram and the mole שנכתב ע"י: Horst Bettin, Kenichi Fujii, Arnold Nicolaus.
קטעים מ- One kilogram silicon sphere made at CSIRO for the Avogadro Project מאת Powerhouse
Comentarios