কিলোগ্রামের নতুন সংজ্ঞা

 

ভর মাপার আন্তর্জাতিক একক কিলোগ্রাম একটি নতুন সংজ্ঞা পেয়েছে ২০১৯ সালের ২০মে। সেদিন থেকে বদলে গেছে কিলোগ্রামের প্রচলিত সংজ্ঞা। ১৬ নভেম্বর ২০১৮ ফ্রান্সের ভার্সাই নগরীতে অনুষ্ঠিত 'ইন্টারন্যাশনাল ব্যুরো অব ওয়েটস অ্যান্ড মেজারস' (BIPM) এর ২৬তম 'জেনারেল কনফারেন্স অন ওয়েট্‌স অ্যান্ড মেজারস' (CGPM)-এর নীতিনির্ধারণী অধিবেশনে 'ইন্টারন্যাশনাল কমিটি ফর ওয়েট্‌স অ্যান্ড মেজারস' (CIPM)-এর প্রস্তাবিত কিলোগ্রামের নতুন সংজ্ঞা সর্বসম্মতিক্রমে গৃহীত হয়েছে। এর পর থেকে পৃথিবীর বিভিন্ন সংবাদ মাধ্যমে বিভিন্ন রকমের সংবাদ প্রকাশিত হয়েছে কিলোগ্রামের পরিমাপ সম্পর্কে। কোন কোন সংবাদপত্র হেডলাইন করেছে 'কিলোগ্রাম বদলে গেছে' (kilogram has changed), 'কিলোগ্রাম মারা গেছে' (kilogram is dead) ইত্যাদি। উত্তেজনা সৃষ্টি করার জন্য উন্মাদ হয়ে যায় সংবাদ মাধ্যমগুলো। আসল ব্যাপার হলো কিলোগ্রাম বদলেও যায়নি, মারাও যায়নি। ১৮৮৯ সাল থেকে এক কিলোগ্রাম পদার্থ বলতে যতটুকু পদার্থ বোঝানো হয়, এখনো ঠিক ততটুকুই বোঝানো হচ্ছে এবং ভবিষ্যতেও যেন ঠিক ততটুকুই থাকে তার জন্য পাকাপাকি ব্যবস্থা নেয়া হয়েছে এই নতুন সংজ্ঞায়। সঠিক সংবাদ শিরোনাম হওয়া উচিত ছিল 'কিলোগ্রাম অমরত্ব পেতে যাচ্ছে'। দেখা যাক ব্যাপারটা কীভাবে ঘটেছে। 

পৃথিবীতে মানুষের উদ্ভব এবং বুদ্ধির বিকাশের শুরু থেকেই মানুষ মাপজোখ শুরু করেছে। শুরুতে এ কাজে ব্যবহার করেছে নিজেদের শরীরের বিভিন্ন অংশ। দৈর্ঘ্য মাপার জন্য হাত, বিঘত, আঙুল, পা (ফুট) ইত্যাদি। ভর মাপার জন্য এক মুঠো, দুই মুঠো ইত্যাদি। কিন্তু এগুলো একেক জনের ক্ষেত্রে একেক রকম। তারপর ক্রমান্বয়ে বিবর্তন হতে হতে এক এক গোষ্ঠীর মধ্যে এক এক ধরনের পরিমাপের এককের প্রচলন ঘটলো। তারপর যখন এক গোষ্ঠীর সাথে অন্য গোষ্ঠীর মধ্যে জিনিস আদান-প্রদান বা ব্যবসা-বাণিজ্য শুরু হলো - তখন সবার গ্রহণযোগ্য এককের দরকার হলো। এভাবে শুরুতে পৃথিবীর বিভিন্ন অঞ্চলে বিভিন্ন রকমের পরিমাপের প্রচলন ঘটলো। ভূমধ্যসাগরীয় অঞ্চল, ইওরোপ, এশিয়া - ইত্যাদি অঞ্চলভিত্তিক পরিমাপ-ব্যবস্থা গড়ে উঠলো। ক্রমে ক্রমে অনেক রাজা-বাদশার হাতে অনেক রকমের পরিবর্তন পরিবর্ধন ও সংস্কারের পর একটা বিশ্বজনীন পরিমাপ ব্যবস্থা গড়ে তোলার জন্য আন্তর্জাতিক নিয়ম প্রবর্তিত হতে শুরু করলো।

ফরাসী বিপ্লব চলাকালীন ১৭৯০ সালে ফ্রেন্স একাডেমি অব সায়েন্স সব ধরনের পরিমাপের জন্য একটি আদর্শ পরিমাপ পদ্ধতির লক্ষ্যে কাজ শুরু করে। মেট্রিক পদ্ধতির প্রাথমিক সূচনা হয় সেই সময়। শুরুতে ভর মাপার মূল এককের নাম ছিল গ্রেভ (grave) - যা পরে রূপান্তরিত হয় গ্রাম-এ। এক গ্রাম আদর্শ ভর মাপা হতো ৪ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় এক ঘন সেন্টিমিটার আয়তনের পানির ভরের সমান। কয়েক বছরের মধ্যে ফ্রান্সে ১৭৯৯ সালে এক মিটার দৈর্ঘ্যের একটি প্লাটিনাম রড এবং এক কিলোগ্রাম ভরের প্লাটিনাম সিলিন্ডার তৈরি করা হয়। এক কিলোগ্রাম আদর্শ ভর ধরা হয় ৪ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় ১০০০ ঘন সেন্টিমিটার পানির ভরের সমান।

১৮৬০-এর দশকে বিজ্ঞানী ম্যাক্সওয়েল ও থমসনের নেতৃত্বে 'ব্রিটিশ অ্যাসোসিয়েশান ফর দি এডভান্সমেন্ট অব সায়েন্স' সেন্টিমিটার-গ্রাম-সেকেন্ড বা সিজিএস পদ্ধতি চালু করে। উনিশ শতকের শেষের দিক থেকে বৈজ্ঞানিক আবিষ্কারের বেগ ও ব্যাপ্তি দ্রুত বাড়তে থাকে এবং আন্তর্জাতিক পরিমাপের বৈজ্ঞানিক পদ্ধতির প্রয়োজনীয়তা ও গ্রহণযোগ্যতা বাড়তে থাকে।

১৮৭৫ সালের ২০ মে ১৭টি দেশের অংশগ্রহণে প্যারিসে অনুষ্ঠিত হয় 'ইন্টারন্যাশনাল কনভেনশান অব দি মিটার'। সেই সম্মেলনে গঠিত হয় 'ইন্টারন্যাশনাল ব্যুরো অব ওয়েট্‌স অ্যান্ড মেজার্‌স' (BIPM) যা মেট্রিক একক নিয়ন্ত্রণের প্রধান আন্তর্জাতিক সংস্থা। ফ্রান্সে স্থাপিত হলো তার প্রধান দপ্তর। ১৮৮৯ সালে BIPM-এর প্রথম সাধারণ সভায় দৈর্ঘ্য, ভর ও সময়ের মূল একক মিটার, কিলোগ্রাম ও সেকেন্ড বা এম-কে-এস পদ্ধতি গৃহীত হয়। সেই প্রথম অধিবেশনে এক কিলোগ্রাম আদর্শ ভর হিসেবে গৃহীত হয় প্লাটিনাম ও ইরিডিয়াম ধাতুর তৈরি একটি সিলিন্ডার। এই সিলিন্ডারকে বলা হয় ইন্টারন্যাশনাল প্রোটোটাইপ কিলোগ্রাম বা সংক্ষেপে বিগ-কে।

সেই আদর্শ কিলোগ্রাম ভরের সিলিন্ডারটি ফ্রান্সে সযত্নে রক্ষিত আছে ১৮৮৯ সাল থেকে এখন পর্যন্ত। বাতাসের আর্দ্রতা কিংবা ধুলোবালি বা অন্য কোন কিছুর প্রভাবেই যেন এই আদর্শ ভরের কোন পরিবর্তন হতে না পারে সেজন্য এই সিলিন্ডারটি রাখা আছে একটি কাচের জারের ভেতর। সেই জারের উপর আছে আরেকটি জার, তার উপরে আছে আরেকটি জার। তিনটি ভিন্ন ভিন্ন চাবি লাগবে এই সিলিন্ডারটিকে জারের ভিতর থেকে বের করতে হলে। বিগ-কে'র সমান ভরের অনেকগুলো ভর রক্ষিত আছে পৃথিবীর বিভিন্ন দেশের স্ট্যান্ডার্ড ল্যাবোরেটরিতে। সেই নমুনাগুলোর মাপ থেকেই তৈরি হয়েছে বিভিন্ন ভরের নমুনা-ভর।

তারপর এই ১৩০ বছরে অনেক কিছু বদলালেও আদর্শ কিলোগ্রামের সংজ্ঞার কোন পরিবর্তন হয়নি। ১৯৬০ সালে BIPM-এর সাধারণ অধিবেশনে পরিমাপের সাতটি মৌলিক একক গৃহীত হয়: দৈর্ঘ্য - মিটার (m), ভর - কিলোগ্রাম (kg), সময় - সেকেন্ড (s), বিদ্যুৎ প্রবাহ - অ্যাম্পিয়ার (A), তাপমাত্রা - কেলভিন (K), বস্তুর পরিমাণ - মোল (mol), আলোর তীব্রতা - ক্যান্ডেলা (cd)। ভর ছাড়া আর সবগুলো এককের সংজ্ঞা ইতোমধ্যে কয়েক বার পরিবর্তিত হয়ে এমন একটা পর্যায়ে এসেছে যে ওগুলোকে মাপার জন্য আর কোন নমুনার উপর নির্ভর করতে হবে না। যেমন ১৮৮৯ সালে এক মিটার দৈর্ঘ্যের যে প্লাটিনামের দন্ডকে আদর্শ মিটার হিসেবে ধরা হয়েছিল, ১৯৬০ সালে তা বদল করা হয় ক্রিপ্টন-৮৬ আইসোটোপের নিঃসরণ রেখার দৈর্ঘ্যের সাথে। ১৯৮৩ সালে সেটাকে পরিবর্তন করে বর্তমান সংজ্ঞা গ্রহণ করা হয় যেখানে এক মিটার হচ্ছে আলো শূন্য মাধ্যমে এক সেকেন্ডের ৩০ কোটি ভাগের এক ভাগ সময়ে যেটুকু দূরত্ব অতিক্রম করে ততটুকু।

সাতটি মৌলিক এককের মধ্যে ভরের একক কিলোগ্রামই রয়ে গিয়েছে যাকে এখনো একটি ধাতব নমুনা ভরের সাথে তুলনা করে পরিমাপ করতে হয়। কিন্তু তাতে সমস্যাটা কোথায়? সমস্যাটা হলো এই যে যদি কোন কারণে এই আদর্শ ভরের কোন পরিবর্তন ঘটে যায় - তাহলে পৃথিবীর সব ভরের পরিমাণই বদলে যাবে। দৈনন্দিন জীবনে কয়েক গ্রাম ভরের পরিবর্তনও আমরা উপেক্ষা করি যদি যা মাপছি তা খুব বেশি দামী না হয়। যেমন মাছের বাজারে যে কেজির নমুনাগুলো আমরা ব্যবহার করি তাতে পানি লেগে কেজির চেয়ে অনেক বেশি ভারি হয়ে যায়। তাতে আমরা খুব বেশি বিচলিত হই না। কিন্তু সোনা মাপার ক্ষেত্রে এক গ্রামের বিচ্যুতিও অনেক বিচ্যুতি। বর্তমান সূক্ষ্ণ প্রযুক্তির যুগে, ন্যানো-টেকনোলজির যুগে ন্যানো-গ্রাম ভর অর্থাৎ এক কিলোগ্রামের দশ লক্ষ ভাগের এক ভাগও যদি কম-বেশি হয় তাহলেও বিভিন্ন ক্ষেত্রে বিরাট সমস্যা দেখা দেবে।

কিলোগ্রামের বর্তমান সংজ্ঞা অনুযায়ী এক কিলোগ্রাম ভর হলো বিগ-কে সিলিন্ডারের ভরের সমান। বিগ-কে'র ভরের সমান করে যে ভরগুলো তৈরি করা হয়েছিল - সেগুলো ব্যবহার করতে করতে বাতাসের আর্দ্রতা শোষণের ফলেই হোক, বা অন্য কোন কারণেই হোক, দেখা গেছে সেগুলোর ভর  বিগ-কে'র ভরের চেয়ে প্রায় ৫০ মাইক্রোগ্রাম বেড়ে গেছে। অর্থাৎ আদর্শ কিলোগ্রাম ৫০ মাইক্রোগ্রাম হালকা হয়ে গেছে। তার মানে গত ১৩০ বছরে যত ভর মাপা হয়েছে সবগুলোই ভুল! কোন ধাতব বস্তুকে আদর্শ ভর ধরলে এই ভুল ঘটতেই থাকবে। তাই কিলোগ্রামের বর্তমান সংজ্ঞা বদলে নতুন সংজ্ঞা দেয়া হয়েছে যেখানে ভর মাপার জন্য কোন নির্দিষ্ট নমুনা ভরের সাথে তুলনা করতে হবে না। কিলোগ্রামের নতুন সংজ্ঞা হবে: এক কিলোগ্রাম ভর হবে সেই ভর যার মাধ্যমে প্ল্যাংকের ধ্রুবক h এর মান হবে 6.62607015 X 10^-34 J.s বা kg.m².s^-1 যেখানে মিটার ও সেকেন্ড মাপা হবে তাদের নিজ নিজ আদর্শ সংজ্ঞা থেকে।  অর্থাৎ মিটার মাপা হবে আলোর বেগ থেকে এবং সেকেন্ড মাপা হবে সিজিয়াম-১৩৩ পরমাণুর বিকিরণ থেকে।

এই সংজ্ঞা ঠিক করার জন্য বিজ্ঞানীদের কাজ করতে হয়েছে বছরের পর বছর। কারণ প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবকের মান অত্যন্ত ছোট (দশমিকের পর তেত্রিশটি শূন্যের পর ৬৬২৬)। এত ক্ষুদ্র একটি রাশির মান সঠিকভাবে বের করার জন্য উপযুক্ত কারিগরি ব্যবস্থা আবিষ্কার করতে সময় লেগেছে অনেক বছর। ব্রিটিশ পদার্থবিজ্ঞানী ব্রায়ান কিবল ১৯৭৫ সালে আবিষ্কার করেছিলেন মুভিং কয়েল ওয়াট ব্যালেন্স - যার সাহায্যে কোন বস্তুর ওজন (বল) এবং সেই ওজনের ফলে সৃষ্ট তড়িৎ-চুম্বক বলের সমতা নির্ণয় করা যায়। ওয়াট ব্যালেন্সের নামকরণ করা হয়েছে বিজ্ঞানী কিবলের নামে এবং কিবল ব্যালেন্সের সাহায্যে কিলোগ্রামের আধুনিক সংজ্ঞা অনুসারে ভর মাপা যায়।

এখন প্রশ্ন হলো ভরের সাথে প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবকের সম্পর্কটা কী? কিবল ব্যালেন্সে এই সম্পর্ক স্থাপন করা হয়েছে পদার্থবিজ্ঞানের বেশ কিছু প্রতিষ্ঠিত সূত্রকে কাজে লাগিয়ে।

ধরে যাক m ভর মাপতে হবে। ব্যালেন্সের এক দিকে m ভর দিলে অভিকর্ষজ ত্বরণ g এর কারণে তার ওজন বা যান্ত্রিক বল হবে F_m = mg.

ব্যালেন্সের অন্যদিকে L দৈর্ঘ্যের তারের একটি কয়েলের ভেতর দিয়ে I পরিমাণ বিদ্যুৎ প্রবাহ চালনা করার পর যদি B পরিমাণ চৌম্বকক্ষেত্রে তৈরি হয়ে যান্ত্রিক বল এবং তড়িৎচুম্বক বল সমান হয়, সেক্ষেত্রে তড়িৎচুম্বক বল F_el = ILB = F_m = mg লেখা যায়। যেখান থেকে আমরা পাই,

mg = ILB. .......(Eq1)

এখন কয়েলটিকে চৌম্বকক্ষেত্রের সাথে উলম্বভাবে v বেগে সরালে বিদ্যুতক্ষেত্র তৈরি হয়ে যে ভোল্টেজ পাওয়া যাবে তার পরিমাণ

U = BLv ......(Eq2)

এখন (Eq1) ও (Eq2) থেকে পাই

Eq3 থেকে আমরা ভর m মাপতে পারি। কিন্তু তার জন্য আমাদের বিদ্যুৎপ্রবাহ, ভোল্টেজ, অভিকর্ষজ ত্বরণ, এবং কয়েলের গতিবেগ খুবই সূক্ষ্মভাবে মাপতে হবে। ভোল্টেজ মাপার সবচেয়ে সঠিক পদ্ধতি হলো মাইক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম ইফেক্ট ব্যবহার করা। সেজন্য সেমিকন্ডাক্টর ব্যবহার করতে হয় যা জোসেফসন জাংশান নামে পরিচিত। N সংখ্যক জোসেফসন জাংশানের ভেতর দিয়ে f কম্পাঙ্কের মাইক্রোওয়েভ চালনা করলে যে ভোল্টেজ পাওয়া যাবে তার পরিমাণ,

 

ভোল্টেজ ও রেজিস্ট্যান্স এর সম্পর্ক থেকে কারেন্ট পাওয়া যায়,

 

খুবই সূক্ষ্মভাবে রেজিস্ট্যান্স মাপার উপায় হচ্ছে কোয়ান্টাম হল ইফেক্ট ব্যবহার করা। কোয়ান্টাম হল ইফেক্ট অনুসারে, রেজিস্ট্যান্স,

(Eq4) এবং (Eq6)-এ h হলো প্ল্যাংকের ধ্রুবক, e হলো ইলেকট্রনের চার্জ, n হলো কোয়ান্টাম নাম্বার। এখন (Eq3)-তে (Eq4), (Eq5) এবং (Eq6) ব্যবহার করে আমরা ভরের মান পেয়ে যাই,

(Eq7) থেকে ভরের যে মান পাওয়া যাবে তা হবে অত্যন্ত সূক্ষ্ম এবং সঠিক। এই সমীকরণ ব্যবহার করে যে ভরের জন্য প্ল্যাংক ধ্রুবকের মান হবে 6.62607015 X 10^-34 J.s, সেই ভরের পরিমাণ ১ কেজি। এটাই কিলোগ্রামের নতুন সংজ্ঞা। 

কিবল ব্যালেন্স

আমেরিকার ন্যাশনাল স্ট্যান্ডার্ড ল্যাবরেটরিতে কিবল ব্যালেন্স ইতোমধ্যেই তৈরি হয়ে গেছে এবং কিলোগ্রামের নতুন সংজ্ঞা অনুযায়ী সূক্ষ্মাতিসূক্ষ্ম ভর সঠিকভাবে মাপতে শুরু করেছে। 

_________________

বিজ্ঞানচিন্তা ডিসেম্বর ২০১৮ সংখ্যায় ইষৎ সংক্ষিপ্ত আকারে প্রকাশিত