مترجم: فرید احسانلو
منبع:راسخون
منبع:راسخون
تا چندی، ستاره شناسان فاصله ماه و زمین را با دقتی بیش از آنچه در اندازه‌گیری متر هست اندازه می‌گرفتند. همچنین رادیو اختر شناسان نمی‌توانستند مكان نقطه‌ای ستاره‌ها را با دقت مشخص كنند، به این علت كه طول متر را با دقت كافی نمی‌دانستند و در نتیجه قادر نبودند فاصله بین رادیو تلسكوپ‌های خود را بر روی زمین با دقت اندازه بگیرند. فیزیك‌دان‌ها در آزمایشگاه، طول موج لیزرها را با دقت چند صد هزار میلیونیم (1011) با یكدیگر مقایسه می‌كردند، ولی نمی‌توانستند طول موج مطلق هیچكدام از آن‌ها را محاسبه كنند و علت این امر هم ندانستن طول دقیق متر بود. تقریباً تمام عدم قطعیت‌هایی كه در اندازه‌گیری سرعت نور در ده سال گذشته وارد شده‌اند نتیجه عدم دقت در اندازه‌گیری متر بوده‌اند نه محدودیت‌های آزمایش.
در كنفرانس عمومی اندازه‌ها و اوزان (CGPM) كه در سپتامبر 1983 در پاریس تشكیل شد تمام این مسائل حل شد. در این كنفرانس متر را نه مانند یك طول ساده بلكه بر حسب زمان تعریف كردند. و از آن به بعد متر عبارت است از ( مسافتی كه نور در فاصله زمانی 299792458/1 ثانیه در خلأ طی می‌كند). حال اگر در آینده به نحوی معلوم شود سرعت نور مثلاً بیش از مقداری است كه ما فكر می‌كنیم تعریف متر هم خود به خود تغییر خواهد كرد به طوری كه سرعت تعریف شده برای نور تغییر نكند. به تعبیری، كنفرانس ناچار از این تعریف بود، چرا كه از مدت‌ها قبل دانشمندان در عمل برای اندازه‌گیری طول از زمان استفاده می‌كردند. مثلاً فاصله بین ماه و زمین را این طور اندازه می‌گیرند: یك پرتو لیزر به ماه می‌تابانند و زمان رفت و برگشت آن را اندازه می‌گیرند. زمان رفت یا برگشت را بر سرعت نور تقسیم می‌كنند تا فاصله ماه از زمین بر حسب متر به دست آید. اگر فاصله بین ایستگاه‌های تداخل سنجی زیاد باشد، رادیو اختر شناسان فاصله بین تلسكوپ‌ها را نیز به همین طریق اندازه می‌گیرند. از حدود ده سال پیش به این طرف، فیزیك‌دان‌ها سرعت نور را با اندازه‌گیری طول موج نور تابیده و صرب كردن آن در بسامدش به دست می‌آورند. امروزه حتی طول موج لیزر را از طریق تداخل دادن آن با یك باریكه نور استاندارد و شمارش بسامدزنش اندازه می‌گیرند، بنابراین هم اندازه‌گیری بسامد و هم اندازه گیری طول موج وابسته به زمان است. زمان را می‌توان در مقایسه با سایر كمیت‌های فیزیكی با دقت بیشتری اندازه گرفت. مثلاً با به كار بردن ساعت سزیومی كه در سال 1976 به عنوان استاندارد انتخاب شد می‌توان ثانیه را با عدم قطعیت یك در 1013 ( یا یك ثانیه در 300000 سال) تعیین كرد. تا زمان برگزاری كنفرانس، طول متر با دقتی در حدود 4 در 109 معلوم بود، به عبارت دیگر، محیط زمین با عدم قطعیتی در حدود 16 سانتی متر قابل اندازه‌گیری بود. با تعریف جدید متر این عدم قطعیت به یك میلی‌متر كاهش می‌یابد. البته منظور این نیست كه محیط زمین باید مجدداً اندازه گیری شود بلكه منظور آن است كه می‌توان در آزمایشگاه دو متر استاندارد را با دقتی بیش از قطر اتم با همدیگر مقایسه كرد. از آنجا كه به هر حال هنگام به كار بردن استاندارد جدید متر به ناچار باید از لیزر استفاده كرد، این سؤال پیش می‌آید كه چرا CGPM متر را چندین میلیون برابر یك طول موج نوری مشخص تعریف نكرد؟ یك جواب این است كه هیچ كس نمی‌دانست كدام طول موج به خصوص لیزر را انتخاب كند. برای آزمایش‌های دقیقی كه در حال حاضر می‌توان انجام داد، بسامد موج نور تولید شده توسط لیزر معمولی به اندازه كافی پایدار نیست. برای پایدار كردن بسامد نور لیزر تولید شده آن را پیوسته طوری تنظیم می‌كنند كه با بسامد خط گذار در طیف بعضی مولكول‌ها یكی شود، و چون مولكول‌ها فقط می‌توانند در سطوحی با انرژی كوانتیده قرار داشته باشند پس در این صورت گذار از یك حالت به حالت دیگر در اثر تابش (یا جذب) نور با یك بسامد دقیق امكان‌پذیر می‌شود. در اصل سه نوع لیزر وجود دارد كه در دهه گذشته در دقیق‌ترین آزمایش‌ها از آن‌ها استفاده شده است. این لیزرها به روش‌های زیر پایدار شده‌اند: لیزر هلیوم نئون در μm63ر0 (نور قرمز) با بخار ید و در μm39ر3 (فروسرخ) با متان و لیزر دی‌اكسید كربن با خود CO2 پایدار شده و خطوط مجزایی در ناحیه بین μm4ر9 و μm4ر10 تولید می‌كنند. برای مثال، در لیزر هلیوم نئون به علت حركت حرارتی كاتوره‌ای مولكول‌های گاز، بعضی از مولكول‌ها تولید نوری كه كمی انتقال به قرمز دارد می‌كنند و بعضی از مولكول‌ها تولید نوری كه انتقال به آبی دارد. برای اینكه طول موج نور لیزر تیز تر شود و این پهنای دوپلری از بین برود، به مقدار لازم متان یا بخار ید در آن وارد می‌كنند. مولكول‌های بخار هم دارای یك حركت حرارتی كتره‌ای هستند ولی بعضی از آن‌ها با زاویه قائمه نسبت به باریكه لیزر حركت می‌كنند و بنابراین موجب پهن شدگی دوپلر نمی‌شوند. با میزان كردن دقیق حفره لیزر، می‌توان كاری كرد كه تقریباً تمام این مولكول‌ها نور لیزر را جذب كنند و وقتی كه جذب مولكولی به حالت (اشباع) رسید، دیگر مولكوی وجود ندارد كه این طول موج‌ها را جذب كند و از این به بعد بخار مثل یك صافی عمل می‌كند كه فقط اجازه می‌دهد طول موج‌هایی با بسامدهایی از آن عبور كنند كه هیچگونه پهن‌شدگی دوپلری ندارند. در سال 1960، CGPM استاندارد را بر حسب تیزترین طول موجی كه تا آن زمان شناخته شده بود تعریف كرد. اولین متر استاندارد یك میله از جنس پلاتین بود كه از سال 1799 به مدت نود سال مورد استفاده قرار گرفت و از سال 1889 تا سال 1960 یعنی به مدت 71 سال استاندارد متر میله‌ای بود از آلیاژ ایریدیوم و پلاتین. از سال 1960 به مدت 23 سال متر بر حسب طول موج تابش به خصوصی از لامپ تخلیه كه در آن ایزوتوپی از كریپتون قرار داشت تعریف می‌شد.
به این ترتیب، CGPM دنبال استانداردی می‌گردد كه مدت بیشتری دوام بیاورد و تغییر نكند. فیزیك‌دان‌ها روش‌های جدید اندازه‌گیری بسامد و استفاده از سایر سیستم‌های اتمی به جای سزیوم را مطالعه می‌كنند تا شاید بتوانند زمان را با دقت بهتری تعریف كنند، ساعت سزیومی دارای دقتی برابر با 1 در 1013 است. انگیزه اصلی تعریف مجدد متر آن بود كه در دهه اخیر فیزیك‌دان‌ها توانستند دقت اندازه‌گیری سرعت نور را افزایش دهند. امروزه بسامد و طول موج پرتو نوری معین را اندازه می‌گیرند و از ضرب این دو كمیت در یكدیگر سرعت نور را به دست می‌آورند، مدت‌هاست كه روش تعیین سرعت نور از طریق اندازه‌گیری زمان طی فاصله‌ای معین توسط یك تپ نوری متروك شده است.
