Nowy kilogram

Zmiana wzorca to w pewnym sensie decyzja administracyjna, ale została ona poprzedzona długimi debatami i przygotowaniami. Sprawa nie jest błaha.

Dużo czy mało?

Wyobraźmy sobie farmaceutę, który musi stworzyć nowy lek. Miesza różne substancje i każdą z nich musi dokładnie odważyć. Jednej z nich potrzebuje… powiedzmy 50 mikrogramów. To 50 milionowych części grama albo 50 miliardowych części kilograma. Skąd farmaceuta wie, ile to 50 mikrogramów? Pewnie ma jakiś rodzaj odważnika. Ale skąd wziął się ten odważnik?

Krótko po rewolucji francuskiej, w czasach, w których w obrębie jednego tylko kraju istniało kilka tysięcy różnych miar długości czy masy, postanowiono zrobić z tym porządek. Ustanowiono, że podstawową jednostką masy będzie kilogram. Ale aby system działał, trzeba było stworzyć wzorzec tego kilograma. Na początku był nim litr wody w temperaturze 4 stopni C. Potem ustalono, że będzie nim walec wykonany ze stopu platyny i irydu. Ten walec wielokrotnie kopiowano (aby rozesłać do różnych krajów), a jego oryginał przykryto trzema szklanymi kloszami i zamknięto w sejfie w Sèvres pod Paryżem. Co jakiś czas kopie przywożono do Paryża i sprawdzano, czy ich masa jest taka sama jak wzorca. Z czasem okazało się, że zaczyna się ona różnić. Tylko czy to kopie robią się coraz lżejsze, czy może wzorzec staje się coraz cięższy? Problem narastał, bo różnice w masie z czasem zaczęły rosnąć. Te różnice dla kogoś, kto kupuje w sklepie np. kilogram cukru, są kompletnie nieistotne, ale już na przykład dla farmaceutów – kluczowe. W ostatnich latach wynosiły nawet 50 mikrogramów. Dużo? To 50 miliardowych części kilograma, ale z drugiej strony to dobowa dawka niektórych leków na przykład dla noworodków. Coś z tym trzeba było zrobić.

Metr też był problemem

Wzorzec kilograma był ostatnim wzorcem jednostki opartym na fizycznym obiekcie. Kiedyś ten sam problem mieliśmy z metrem. Jego wzorcem był metalowy pręt… o długości 1 metra. Od 1983 roku metr definiuje się jednak inaczej – przez stałą fizyczną. Dzisiaj metr to droga, jaką przebywa światło w próżni w czasie 1/299 792 458 sekundy. Ta zmiana nie spowodowała, że metr stał się dłuższy albo krótszy. Spowodowała, że wzorzec stał się dokładniejszy i pewniejszy. Dzisiaj, gdy ktoś chce wiedzieć, ile wynosi 1 metr, nie musi jechać do Paryża. Wystarczy, że wykona odpowiedni eksperyment i sam sobie policzy.

Z kilogramem sprawa nie jest taka prosta. Wśród wielu propozycji, jak wzorzec kilograma powiązać ze stałymi przyrody, zdecydowano, że najprościej będzie to zrobić przez stałą Plancka. Max Planck na początku XX wieku wytłumaczył, że energia – niezależnie od źródła – nie może być wypromieniowywana w dowolnych ilościach, lecz jedynie w postaci „paczek”. Później te paczki nazwano kwantami. Stała Plancka wiąże energię niesioną przez foton z jego częstotliwością.

Chyba każdy zna wzór E = mc2. E – to energia, m – masa, c – prędkość światła. Ten wzór wiąże energię z masą. Z drugiej strony wiemy, że energia jest związana z częstotliwością. I to w tym równaniu wiążącym energię z częstotliwością znajduje się stała Plancka. Znając te dwa równania, możemy stałą Plancka powiązać bezpośrednio z masą, czyli z kilogramem.

To, co bardzo prosto wygląda na kartce, w rzeczywistości wymaga skomplikowanego pomiaru. Wykorzystujemy w nim bardzo dokładne i skomplikowane urządzenie, takie jak waga prądowa watta, bardzo czułe grawimetry, czyli urządzenia do pomiaru przyspieszenia grawitacyjnego, zegary atomowe oraz interferometry laserowe. Do pomiaru natężenia prądu wykorzystano kwantowy efekt Halla, a do pomiaru napięcia kwantowe zjawisko Josephsona.

I po co to?

Eksperymenty i pomiary, a przede wszystkim odpowiednie testy w wielu ośrodkach na świecie trwały od lat. Po co wkładać tyle trudu w określenie kilograma? Nasz świat staje się coraz bardziej precyzyjny, a nasz standard kilograma – z czasem – stawał się coraz mniej pewny. Walec, który był trzymany w sejfie, miał już 130 lat i zamiana go na coś pewniejszego, coś bardziej wiarygodnego była tylko kwestią czasu. No właśnie. Czas. Jego jednostką jest sekunda, a ta równa jest 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu pomiędzy poziomami w atomie cezu. Oscylacje cezu są idealnym wahadłem, które działa tak samo wszędzie. Definicja sekundy jest oparta na stałej fizycznej od 1967 roku, definicja metra od 1983 roku, a definicja kilograma od 20 maja 2019 roku. A wszystko po to, by niepewny obiekt fizyczny, jak metalowy walec czy metalowy pręt, zamienić na wzorzec oparty na którejś ze stałych przyrody, a te – zgodnie z naszą wiedzą – są niezmienne i w czasie, i w przestrzeni. Światło porusza się w próżni z taką samą prędkością i w naszej galaktyce, i w każdej innej we wszechświecie. A stała Plancka jest taka sama na Ziemi, na Marsie i na dowolnym obiekcie w kosmosie.

Przy okazji zmiany wzorca kilograma zmieniono także definicję ampera, kelwina i mola oraz te, które z nich się wywodzą, na przykład oma, dżula (jednostka pracy), energii i ciepła oraz wolta – jednostki potencjału elektrycznego, napięcia elektrycznego i siły elektromotorycznej.•