Kilogram zardzewiał

Krystaliczny jak sekunda
Pierwszym „zegarem” była obracająca się Ziemia. Wiadomo, pełny obrót zajmuje 24 godziny. A więc godzinę (długo, bo jeszcze do połowy XX w.) określano jako 1/24 pełnego obrotu Ziemi. Robiono to, mimo że już od końca XVIII w. zdawano sobie sprawę z tego, że taka definicja nie jest dokładna. Ziemia obraca się coraz wolniej, a to oznacza, że godziny stawałyby się coraz dłuższe. Od 1967 r. definicja sekundy to „czas trwania 9 192 631 770 okresów drgań fali świetlnej promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133”. Co to oznacza? Atomy cezu 133 „drgają”. Te drgania są jak zegar z wahadłem, którego tykanie można przeliczyć na sekundy; ale zegar, który jest niezależny od warunków zewnętrznych.

Od temperatury, oświetlenia czy ciśnienia. Ta niezależność jest bardzo istotna w przypadku wzorca. Naukowcom bardzo zależy na dokładnym mierzeniu sekundy, bo z siedmiu wymienionych wcześniej podstawowych jednostek, aż 4 są już dziś definiowane właśnie przez sekundę, a pozostałe dwie będą pewnie w przyszłości. Jednym z takich przykładów „definiowania przez sekundę” jest właśnie metr. Innym jednostka światłości – kandela. Wśród niezliczonej ilości jednostek pochodnych i wśród siedmiu jednostek podstawowych sekunda jest najbardziej istotna. Jej wzorzec musi być krystaliczny, bo gdyby nie był, jak klocki domina posypałby się cały system miar. Innymi słowy, dokładny pomiar sekundy oznacza dokładne określenie wszystkich (dokładnie wszystkich!) używanych w fizyce czy technice jednostek.

Co z tym kilogramem?
Zdefiniowane są więc metr (przez sekundę) i sama sekunda. Skąd w takim razie tytuł tego artykułu? Jak to „zardzewiał”? Kilogram to w zasadzie ostatni wzorzec „starej daty”. Wszystkie jednostki podstawowe zdefiniowane są w sposób „nowoczesny”, a więc niepozostawiający miejsca na interpretację i nieścisłości. Z kilogramem jest inaczej. To wciąż jest metalowy walec wykonany ze stopu platyny i irydu, przechowywany w skarbcu Międzynarodowego Biura Miar w Sevres pod Paryżem. I choć przykryty jest trzema kloszami ze szkła (żeby oddzielić od niszczących metal związków znajdujących się w atmosferze), dzieje się z nim coś złego. Naukowcy od dawna (dokładnie od 200 lat) chcieli kłopotliwy wzorzec kilograma zastąpić czymś bardziej godnym zaufania, ale nie wiedzieli jak. Teraz podobno nastąpił przełom. Badacze z brytyjskiego Towarzystwa Królewskiego chcą zdefiniować kilogram przez jedną ze stałych fizycznych, zwaną stałą Plancka. Wiąże ona energię fotonu z jego częstotliwością. Inny pomysł to zdefiniowanie kilograma na podstawie masy atomu.

Zmiana wzorca kilograma jest niezbędna! Porównując masę wzorca z jego kopiami, około 30 lat temu zauważono, że albo ten pierwszy robi się coraz lżejszy, albo te ostatnie coraz cięższe. Co jakiś czas porównuje się wzorce kilograma znajdujące się w różnych krajach świata z tym trzymanym w Paryżu. Tak na wszelki wypadek sprawdza się, ile jest kilograma w kilogramie. Już od kilku lat rejestruje się różnice w masie między nimi. Różnice – z pozoru – nie są duże, bo w ciągu ostatnich lat wzrosły do masy jednego ziarenka piasku, ale dla naukowców, którzy potrafią mierzyć różne wielkości z precyzją do miliardowych, a czasami nawet bilionowych części, zgubienie ziarenka na każdym kilogramie to powód do nocnych koszmarów. Przez kilogram definiowanych jest wiele różnych jednostek, chociażby wspomniany wcześniej niuton (jednostka siły), czy mierzone w voltach napięcie prądu. Podejrzewa się, że to raczej wzorce krajowe stają się coraz cięższe. Nie są one aż tak dobrze chronione przed wpływami związków chemicznych znajdujących się w atmosferze. Być może osadza się na nich nalot? Platyna może np. absorbować rtęć z atmosfery albo wodór ze środków służących do czyszczenia metalowego wzorca. Zresztą to sprawa otwarta i w zasadzie drugorzędna. Od dawna już wzorzec kilograma nie waży jednego kilograma. A to sytuacja mocno niepokojąca. I całe szczęście, że w najbliższym czasie ma ulec zmianie.