Platynowo-irydowy walec będący wzorcem kilograma, przechowywany w Sevres pod Paryżem (BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET MESURES)Będzie nowy wzorzec jednostki masy - kwantowy!
Wzorzec kilograma, który znajduje się w Sevres pod Paryżem, odchodzi do muzeum. Co go zastąpi? Jednostka masy będzie zdefiniowana - jak wszystkie inne - w oparciu o uniwersalną stałą fizyczną.
Będzie to stała Plancka, która występuje we wzorze na energię ... kwantu światła.
W ten sposób pomiary masy na całym świecie, od których zależy także sporo innych wielkości fizycznych, nie będą już zakładnikiem przechowywanego w sejfie małego odważnika z irydu i platyny. Wzorzec kilograma będzie można odtworzyć w dowolnym miejscu i w dowolnym czasie. Francja straci monopol, ale metrolodzy (tak nazywają się specjaliści od pomiarów) odetchną z ulgą.
Jak kilogram przybierał na wadze
Kilogram z Sevres - walec o średnicy i wysokości równej 39 mm ze stopu platyny i irydu - kilka tygodni temu świętował 126. urodziny. To dziś ostatnia z jednostek miar układu SI, która wciąż jest zdefiniowana tak samo jak w XIX w. Pozostałe już nie mają swych materialnych prototypów - zostały oparte na zjawiskach, których niezmienność gwarantują prawa natury. Na przykład sekunda, kiedyś będąca ułamkiem doby, od 1967 r. jest definiowana jako czas trwania 9192631770 drgań promieniowania atomu cezu-133.
Metr - niegdyś ułamek długości południka ziemskiego, potem długość wzorcowego pręta w Sevres - to od 1983 r. odcinek, jaki pokonuje światło w próżni w czasie 1/299792458 sekundy.
Każdy może otrzymać w dowolnym miejscu na świecie, a nawet na innej planecie, ten sam wynik, jeśli tylko dobrze przeprowadzi odpowiednie pomiary.
Z kilogramem jest inaczej. Wszystkie odważniki, zanim znajdą się na rynku, są najpierw fizycznie porównane z unikalnym wzorcem. Zazwyczaj robi się to przez "pośredników". W samym Sevres jest sześć oficjalnych kopii kilograma. Poza tym narodowe biura miar posiadają swoje własne kopie (w tej chwili ponad 80 na całym świecie), które co pewien czas muszą podróżować do Francji, gdzie weryfikuje się, czy utrzymują tę samą masę co oryginał.
Procedura jest skomplikowana, a stałość samego wzorca wielce niepewna. Kiedy oficjalne kopie porównywano z oryginałem - w ciągu poprzedniego stulecia przeprowadzono ledwie trzy takie weryfikacje - systematycznie przybierały na masie. Podczas ostatniego ważenia prawie wszystkie miały około 50 mikrogramów więcej niż 100 lat wcześniej. Podobnie działo się z narodowymi kopiami wzorca. Także polski kilogram przytył o kilkadziesiąt mikrogramów, czyli mniej więcej o masę ziarnka soli.
To zapewne oznacza, że nie tylko kopie się zmieniają, ale oryginał też. Osiada na nim kurz (choć trzymany jest pod kilkoma kloszami w sterylnych warunkach), więc przed samym ważeniem trzeba go ostrożnie umyć. W rzeczywistości pełna definicja jednostki masy - choć to może brzmieć nieco humorystycznie - jest dziś taka: "Kilogram jest równy masie międzynarodowego wzorca kilograma po czyszczeniu i myciu".
Nie mówiąc o tym, że oryginał może zostać ukradziony lub uszkodzony. I co wtedy? Pewnie najlepsza z kopii awansowałaby na nowy wzorzec.
E=mc2
Wszystko to sprawia, że od dawna naukowcy szukają takiego wzorca masy, którego nienaruszalność będą gwarantowały prawa fizyki, a nie środki czyszczące i zamki w sejfie. Żeby było podobnie jak z definicją metra związaną ze stałością prędkości światła w próżni albo sekundą, którą zabezpiecza niezmienność promieniowania Cezu-133. Międzynarodowy Komitet Miar i Wag ustalił więc w 2011 r., że najlepiej byłoby oprzeć nową definicję na stałej Plancka.
Jest ona zwykle oznaczana literą h i występuje w fundamentalnym wzorze łączącym energię kwantu światła z jego częstotliwością, który ponad 100 lat temu wyprowadził Albert Einstein (patronuje jej jednak Max Planck, który wcześniej postawił hipotezę, że promieniowanie jest emitowane i pochłaniane w małych porcjach zwanych kwantami). Z kolei energia powiązana jest z masą innym wzorem Einsteina, słynnym E=mc2. I w ten oto sposób za pomocą stałej Plancka można zdefiniować jednostkę masy.
Różnice z masie wzorców kilogramaNa przykład nowy kilogram mógłby być masą, która jest równoważna energii pewnej liczby kwantów fotonów promieniowania Cezy-133. W jednej chwili nowa definicja jednostki masy przeskoczyłaby z XIX-wiecznej fizyki klasycznej do współczesnego świata fizyki kwantowej.
Trzeba tylko mieć dobry sposób na mierzenie stałej h. Międzynarodowy Komitet Miar i Wag chciał mieć co najmniej dwie niezależne metody, które dają zgodny wynik do dziewiątego miejsca po przecinku. Do tej pory pomiary były jeszcze zbyt rozbieżne. Ale pod koniec zeszłego tygodnia na spotkaniu w Paryżu eksperci wreszcie się zgodzili, że są już dwie dobre metody.
Jedna z nich - międzynarodowy projekt "Avogadro" - polega na stworzeniu jak najbardziej idealnej kuli z krzemu, która miałaby masę wzorca kilograma, oraz policzeniu, z ilu atomów się ona składa. Taki rachunek można wykonać, prześwietlając kulę promieniami rentgenowskimi. To da nam dokładną wartość stałej Avogadra, która jest równa liczbie atomów w jednym molu substancji, a ta stała jest już bezpośrednio powiązana ze stałą Plancka.
W drugiej, konkurencyjnej metodzie, w której główne skrzypce grają amerykańscy specjaliści z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Waszyngtonie, stałą Plancka wylicza się za pomocą tzw. wagi prądowej. Tutaj kilogram położony na jednej szali jest równoważony siłą elektromagnesu, który przyciąga drugą szalę. A we wzorach na siły elektromagnetyczne tkwi stała h.
Jak powiedział prezydent Międzynarodowego Komitet Miar i Wag Barry Inglis z Australii, obie metody różnią się już o mniej niż 20 części na miliard. Oznacza to, że metrolodzy są gotowi przyjąć nową definicję kilograma, choć oficjalnie stanie się tak dopiero podczas Generalnej Konferencji Miar (CGPM) wyznaczonej na rok 2018.
Nowa definicja zapewne niewiele zmieni w życiu zwykłych zjadaczy chleba, bo wartość nowego kilograma będzie zbliżona do starego. Również wzorzec z Sevres wykonano tak, aby jego masa była zbliżona do masy litra wody, która wcześniej definiowała kilogram.
Co najwyżej będziemy mogli sobie z ulgą odjąć masę ziarenka soli od wskazań wagi łazienkowej.
Polska kopia też pójdzie do muzeum
Nosi numer 51. Została zakupiona przez Główny Urząd Miar w 1952 r. za 80 532,78 zł (średnia miesięczna pensja wynosiła wtedy 650 zł). Tak jak oryginał w Sevres została wykonana przez firmę Johnson Matthey w Londynie ze stopu platyny i irydu. Jest przechowywana w sejfie pod dwoma szczelnymi, szklanymi kloszami na specjalnej metalowej podstawce. Dwa razy była porównywana z oryginalnym wzorcem w Sevres (ostatnio w 1990 r.). Okazało się, że - podobnie jak inne kopie - trochę przytyła, dokładnie o 42 mikrogramy. Jej masa wynosi obecnie 1 kilogram i 227 mikrogramów.
Źródło: Wyborcza.PL
Przeczytaj więcej: 
