Váhy čekají změny

06. ledna 2014, 00:00 - Jakub Křešnička
06. ledna 2014, 00:00

Letošní rok by mohl přinést novou definici základní jednotky hmotnosti. Aktuální kilogram je totiž nestabilní

Ať děláme, co děláme, všichni hubneme.

Zvlášť po vánočních svátcích je to dobrá zpráva pro všechny, jen vědcům ale dělá těžkou hlavu. Důvod úbytku našich kil totiž nespočívá ve vyšší kvalitě potravin nebo zkvalitnění stravovacích návyků. Je způsoben tím, že samotná základní jednotka hmotnosti z neznámých důvodů těžkne.

Kilogram představuje stále vyšší váhu, a proto je všechno lehčí.

Dietářům neudělá radost, že se tyto změny projevily za posledních sto let rozdílem 50 mikrogramů. To je totiž zhruba váha otisku prstu. Vědcům to ale komplikuje život, protože pro leckterá měření potřebují absolutní přesnost. Změny ve velikosti kilogramu mohou vést k velkým problémům třeba i v technologiích. Čím modernější mikročipy, tím rychlejší je zpracovávání stále většího množství informací, pak i ty nejmenší odchylky mohou způsobit katastrofy. Zatím problémy nemáme, ale nespolehlivost etalonu se může projevit už relativně brzy.

„V elektronickém průmyslu budou dopady znatelné v příštích deseti až dvaceti letech,“ upozornil fyzik Richard Steiner z amerického Národního institutu pro standardy a technologie. Za všechny zmatky přitom může definice kilogramu samotná.

Velké K v sejfu „Kilogram je jednotka hmotnosti; je roven hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu,“ zní úvod rozhodnutí třetí Generální konference pro míry a váhy z roku 1901.

Kilogram prostě váží tolik, kolik váží jeho etalon uložený v Mezinárodním úřadu pro váhy a míry (BIPM) v Sevres u Paříže.

Asi nikoho nepřekvapí, že tento 39,17 centimetru vysoký válec vyrobený v roce 1884 ze slitiny devíti dílů platiny a jednoho dílu iridia je uložen v sejfu ve sklepeních francouzského úřadu. Trezor se otevírá jen třemi klíči, kterými ve stejnou chvíli otáčejí tři různé osoby. Přístup k prototypu je navíc omezen přísným dohledem Mezinárodní komise pro váhy a míry (CIPM).

Bylo by vhodné zabezpečení etalonu podobné péči o české korunovační klenoty.

Kdyby prototyp Francouzi skromně přezdívaný Le Grand K někdo poničil, nebo si ho dokonce odnesl, skončil by svět bez jednotky váhy. Čistě kvůli definici odkazující na reálně existující objekt.

Případná ztráta etalonu by neohrozila jen váhy, kilogram má totiž vliv hned na čtyři ze sedmi základních jednotek fyzikálních veličin, nemluvě o odvozených jednotkách, jako jsou jouly, newtony nebo watty. Zmizení kilogramu by tak teoreticky mohlo rozhýbat i účty za elektřinu. Zmatkům by se nevyhnul celý svět. Je pravda, že Libérie, Barma a Spojené státy americké používají jako jednotku váhy libru. Ta je ovšem stanovena jako 0,45359237 kilogramu.

Chaos by zřejmě nebyl absolutní. V případě nouze by se prostě mohl svět dohodnout, že ztracený mezinárodní prototyp nahradí jednou z jeho kopií, které mají v držení různé státy světa pro národní kalibraci vah a které se s mezinárodním etalonem porovnávají. Třeba v Českém metrologickém ústavu je uložena kopie s číslem 67. Právě při převažování kopií, které byly vyrobeny ve stejnou dobu jako původní prototyp, se ale přišlo na to, že jejich váha se mění. Vědci netuší, proč tomu tak je. Důležitější ovšem je, že existuje několik variant, jak by se dala tato prekérní situace vyřešit.

„Podařilo se dosáhnout mezinárodního konsenzu, že by kilogram měl být nově definován na základě pevné hodnoty Planckovy konstanty,“ uvedl fyzik Michael Stock z BIPM. Tato konstanta by umožnila na základě rovnice související se vztahem mezi energií a hmotností definovat váhu bez etalonu. Základní měření by pak proběhlo na výkonových vahách, které porovnávají tíhu tělesa s magnetickou silou. Je ale potřeba počítat s tím, že i dnešní nejpřesnější přístroje mají zhruba pětkrát vyšší chybovost, než by bylo ideálně třeba.

Nejkulaťoulinkatější V roce 2004 se jako další přístup zrodil takzvaný projekt Avogadro. V něm vědci z Francie, Německa, Itálie, Británie, Belgie, Austrálie, Japonska, USA a Ruska pracují na novém prototypu kilogramu. Jeho pomocí by chtěli „otočit“ Avogadrovu konstantu – zatím se totiž její hodnota odvozuje od kilolight gramu, ale dalo by se dosáhnout toho, aby naopak konstanta určovala základní jednotku hmotnosti.

„V podstatě jde o cvičení v počítání atomů. Přijdeme tak s novou novou definicí kilogramu založenou na atomech, která vystřídá ten objekt v Paříži,“ vysvětlil Walter Giardini z Australského institutu pro míry a váhy.

Aby ale mohli Australané začít své počtářské cvičení, bylo třeba vyrobit objekt s co nejpřesnější strukturou atomů. Všechno pak začalo v ruském výrobním sdružení Elektrochemických závodů v Zelenogorsku spadajících do skupiny Tvel, která patří mezi výrobce jaderného paliva. Závody dodaly tetrafluorid křemíku, z kterého v Institutu chemie vysoce čistých látek v Nižním Novgorodu obohacováním vytvořili materiál skládající se pouze z izotopů křemíku 28. Ten mimochodem původně vznikl jako vedlejší produkt při práci na kvantovém superpočítači budoucnosti. Ruský křemík pak putoval do německého Institutu pro růst krystalů, kde ho nechali dorůst do potřebného množství. Pak už se mohl zhruba 20centimetrový válec materiálu o hodnotě v přepočtu převyšující 27 milionů korun přestěhovat do Austrálie, kde z něj vyřezali dvě kilové koule.

„Po opracování je hodnota koule v podstatě nevyčíslitelná. Mimo jiné představuje nejkulatější objekt na světě,“ tvrdí Katie Greenová, vedoucí týmu pro optickou výrobu výzkumné organizace CSIRO.

Právě její tým měl na starosti výrobu koulí o průměru 93,6 milimetru. Maximální odchylka při měření průměru je přitom jen 35 miliontin milimetru. Přesný poloměr se měřil laserem a povrch se upravoval obrušováním a leštěním až na úrovni atomů, aby váha dosáhla jednoho kilogramu podle pařížského etalonu, který zastoupily jeho australské kopie s čísly 44 a 87.

Rozhodne se letos Důvod, proč je nový prototyp kilogramu kulatý, je prostý. Ten (podle populárního jazykolamu) nejkulaťoulinkatější povrch je třeba pro přesný propočet atomů, které jsou v krystalu izotopu křemíku 28 rozmístěny s „železnou pravidelností“. Pokud se měření a propočty vědců ukážou jako úspěšné, mohla by třeba nová definice základní jednotky znít zhruba následovně: kilogram je hmotnost 2,15 x 1025 atomů izotopu křemíku 28. „Je vysoce pravděpodobné, že by to tak mohlo dopadnout,“ věří Greenová.

Na přístup k redefinici kilogramu pomocí Planckovy konstanty se nezapomíná. S prací na projektu Avogadro v podstatě poskytují kontrolu jeden druhému. Pokud se oba přístupy vzájemně doplní a budou schopné nepřesnosti snížit na zhruba 20 mikrogramů, mohly by přinést změnu definice hlavní jednotky váhy už brzy. Na letošek je totiž plánováno 25. zasedání Všeobecné konference pro váhy a míry (CGPM), které by se touto otázkou mělo zabývat.

Pokud ke změně definice skutečně dojde, čeká kilogram stejný osud jako metr, který je základní jednotkou délky. Ten měl svůj platinovoiridiový etalon ve Sevres u Paříže uložený do roku 1960. Dnes je metr definován jako délka, kterou světlo ve vakuu urazí za 1/299 792 458 sekundy. Pak přestanou být národní prototypy kilogramů a Le Grand K se bude vystavovat v muzeu. A celý svět bude zase vážit stejně, svátky nesvátky. l •

Nestabilita hodnoty kilogramu ohrožuje budoucí průmysl. Elektronika by kvůli tomu mohla mít problémy už v následující dekádě. 50 mikrogramů O tolik za posledních sto let vzrostla z neznámých důvodů hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu, který je uložen v Mezinárodním úřadu pro váhy a míry v Sevres u Paříže a slouží jako vzor všech etalonů základní jednotky hmotnosti po celém světě.

Revoluční jednotka Snaha znovu definovat kilogram není první významnou změnou základní jednotky hmotnosti. Prošla si totiž doslova revoluční historií. Svůj původ má v časech krále Ludvíka XVI., jenž vytvořil komisi pro vytvoření nového desetinného systému měr a vah. To bylo v dobách, kdy jen ve Francii existovalo pro podobné účely 250 tisíc různých jednotek. Není divu, že se nově vyvinutý ucelený systém stal později základem mezinárodních jednotek. Aristokratická komise přišla v neklidných dobách roku 1793 s označením grave pro jednotku váhy představující hmotnost litru (tehdy kubického decimetru) čisté vody za teploty tajícího ledu. S příchodem Velké revoluce byl ovšem název ve francouzštině znějící podobně jako varianta hraběcího titulu značně nevhodný, ač byl odvozen z latinského gravitas. Jednotka šla tedy obrazně pod gilotinu, zatímco její aristokratičtí tvůrci jako Antoine Lavoisier na ní skončili doopravdy. Na řadu pak přišel méně elitářský gram, který byl ovšem pro praktické účely příliš malý. A tak se zrodil kilogram, který je kvůli svému komplikovanému porodu jedinou základní jednotkou s předložkou. Neměnil se jen název kilogramu, ale i jeho definice. V ní váhu litru vody za nejstabilnější teploty nula stupňů Celsia vystřídala v roce 1799 hmotnost vody o teplotě čtyř stupňů, kdy je voda nejhustší. Znovu se ozvaly praktické účely a jako prototyp kilogramu byl podle „vodní definice“ odlit platinový válec přezdívaný Le Grand K. Svou podobu od té doby změnil jen jednou, když celoplatinový válec po 90 letech nahradila slitina platiny a iridia. Od té doby už jen spokojeně přibývá na váze. A neví se proč. Možná jej tíží vlastní důležitost. l

Materiál na prototyp pro výpočet nové definice kilogramu stál zhruba milion eur. Po opracování je však hodnota etalonu nevyčíslitelná.

O autorovi| Jakub Křešnička, kresnicka@mf.cz

Mohlo by vás zajímat

  • Pavel Ryba - muž, který Čechům prodá ročně tunu zlata

  • Majitel textilky Juta a senátor Hlavatý: V Senátu by…

  • Jan Hawelka: kavárenská hvězda z Mostu

  • Aleš Kučera: Chvíli potrvá, než se lidé naučí se státem…

  • Ondřej Kania: Otevřeme další dvě školy

  • Martin Burda: Bankám v Česku ujíždí vlak

  • Mnislav Zelený Atapana: Přítel amazonských indiánů

  • Jan Bílý: Nebuď uštvaný manažer. Buď král!

  • Jaroslav Žlábek: Na jedno nabití ujedeme 1000 kilometrů

Hry pro příležitostné hráče