Dlaczego cenny odważnik przechowywany w podziemnym sejfie pod Paryżem traci na wadze? Jedna z teorii mówi, że to wynik ubytku wodoru, który przypadkowo wtłoczono w metalowy wzorzec w trakcie jego produkcji. Niektórzy naukowcy winią też gruboziarnisty papier ścierny, którym odważnik pucowano. Może skrobano zbyt intensywnie? Ale czyszczenie jest niezbędne, bo naukowcy odkryli, że na odważniku, pomimo zabezpieczeń, może się osadzać brud. Kiedy wyjęto wzorzec z sejfu po raz ostatni (od końca XIX wieku wyciągano go na światło dzienne tylko trzykrotnie), okazało się, że podczas gdy on stracił na wadze, jego oficjalne kopie – których jest 100 na całym świecie – przytyły. Naukowcy tłumaczą te różnice właśnie zanieczyszczeniami w postaci związków węgla i rtęci, które mimo ich starań zbierają się na powierzchni odważników.

Dla zwykłych zjadaczy chleba tak minimalne różnice, porównywalne z ciężarem ziarnka piasku, nie mają znaczenia. Jednak świat nauki i miniaturyzujących się technologii potrzebuje wzorca kilograma, który nie cierpi na efekt jo-jo i jest stabilnym punktem odniesienia dla wszystkich wag na świecie. Dlatego od dłuższego już czasu naukowcy pracują nad stworzeniem nowego wzorca jednostki masy, opartego tym razem nie na jakimś niedoskonałym przedmiocie, lecz na precyzyjnych prawach fizyki.

Ostatnio wyścig laboratoriów, które pracują nad nową definicją, wyraźnie przyspieszył – tym bardziej że w 2018 roku odbędzie się Międzynarodowa Konferencja Miar i Wag, podczas której findesieclowy kilogram, zwany w skrócie IPK (International Prototype Kilogram), ma przejść wreszcie do historii.

Relikt przeszłości

Używany obecnie wzorzec pochodzi z roku 1889. Francuzi, którzy są strażnikami tej metrycznej relikwii, nazywają ją „Le Grand K”. Do sejfu, w którym w specjalnych warunkach przechowuje się odważnik, klucze mają tylko trzy osoby. Ten błyszczący blok metalu w kształcie cylindra w 90 procentach składa się z platyny, a w 10 proc. z irydu. Mierzy dokładnie 39 milimetrów wysokości, tyle samo wynosi jego średnica. O wzorcowy odważnik dba sztab specjalistów, którzy regularnie, z wielką ostrożnością poddają go zabiegom pielęgnacyjnym. Wszystko to przypomina trochę opiekę nad obiektem muzealnym, ale też przejście na emeryturę tego wzorca jest już przesądzone.

Kilogram to jedyna jednostka SI (Système international d'unités, czyli Międzynarodowego Układu Jednostek i Miar), dla której podstawą definicji jest określony przedmiot, a nie odwołanie się do stałych fizycznych. Tymczasem dotykalny metr z Sèvres, kuzyn kilograma, znajduje się w stanie spoczynku już od roku 1960. Pozostałe jednostki SI – sekunda, amper, stopień Kelvina, mol i kandela – też przeszły kuracje odmładzające. Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) definiuje np. metr jako „długość drogi, jaką przebywa światło w próżni w przedziale czasu równym 1/299792458 sekundy”. Kilogram zaś, niezmiennie od XIX w., jest wciąż równy masie topornego kawałka metalu.

 

Liczenie dla cierpliwych

Nowy wzorcowy kilogram ma być doskonalszy. Ma to zagwarantować jego powiązanie ze stałą Avogadra. Włoski fizyk Amedeo Avogadro opracował m.in. sposób na wyznaczanie masy atomowej pierwiastków.

Ową masę fizycy potrafią dziś określić z ogromną dokładnością. A dzięki pracom Avogadra można obliczyć, ile atomów jakiegoś pierwiastka potrzeba, by powstał obiekt ważący dokładnie kilogram.

Do jego stworzenia wybrano krzem. Pierwiastek ten jest dostępny w postaci czystych, dużych i prawie doskonałych kryształów. Regularny układ atomów w takim krysztale pozwolił naukowcom z góry ustalić, że kilogram będzie ważyła kula krzemu średnicy 93,75 mm. Dwa takie wzorce – w ramach tzw. projektu Avogadro – wykonano i dokładnie oszlifowano w Australii. Potem zaś przebadano w wielu placówkach, porównując je z istniejącymi wzorcami kilograma, a także drobiazgowo badając ich powierzchnię, występowanie zanieczyszczeń itd.

Pozostał jeszcze ostateczny test – policzenie atomów krzemu znajdujących się w kulach. Naukowcy muszą mieć pewność, że jest ich tyle, ile przewiduje teoria – czyli jakieś 2.15×1025 (miliardów bilionów) sztuk. Tego zadania podjął się zespół badaczy z Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Braunschweig w Niemczech. I tu pojawił się kłopot. Dotychczas udało się im policzyć atomy z dokładnością rzędu 30 sztuk na miliard. Mimo że wynik ten może oszołomić – to nadal za mało! Komitet Koordynacyjny ds. Masy przy BIPM wymaga, by dokładność wyniosła co najmniej 20 sztuk na miliard atomów. Naukowcy twierdzą, że uda im się to osiągnąć, ale nikt nie wie kiedy.

Jak zważyć idealny kilogram

Z projektem Avogadro konkuruje koncepcja tzw. prądowej wagi Watta. Wygląda ona jak futurystyczna maszyna wysokości dwupiętrowego budynku, złożona z metalowych drążków, dokładnych przyrządów pomiarowych i ogromnego klosza próżniowego. Urządzenie to pozwala powiązać masę z fizyką kwantową (a dokładniej z tzw. stałą Plancka – jedną z podstawowych stałych fizycznych). Naukowcy dążą do tego, aby znaleźć takie wartości prądu płynącego przez elektromagnes, by wytwarzane w nim pole magnetyczne zdolne było utrzymać w powietrzu kilogramowy obiekt.  

Prace nad wagą Watta trwają niezależnie w czterech laboratoriach: w USA, Francji, Kanadzie i Szwajcarii. Wszystkie pilnie obserwują postępy pozostałych i wytykają sobie nawzajem błędy. W szwajcarskim Bernie specjalnie dla urządzenia powstało nowe próżniowe laboratorium – wyróżnia się doskonałą izolacją, tłumiącą drgania i chroniącą przed zmianami temperatury. Dla pomieszczenia sporządzono też mapę grawitacyjną, która pozwala uwzględnić wpływ siły ciążenia w danym miejscu, decydującej o precyzji pomiaru.

Aby jednak nowy wzorzec mógł wyprzeć odważnik z Sèvres, musi powstać w więcej niż jednej niezawodnej kopii. Co więcej, oba projekty – Avogadro i wagi Watta – wedle wytycznych BIPM muszą osiągnąć zadowalający efekt równocześnie. „Chcemy być co najmniej tak dobrzy jak ludzie od Avogadro” – zapewnia dr Beat Jeckelmann, fizyk ze Szwajcarskiego Instytutu Metrologii, gdzie trwają prace nad wagą Watta. „W naszym projekcie nawet właściwości gleby, na której znajduje się laboratorium, mają wpływ na pomiar. Dlatego tak trudno jest wyregulować wagę. Gdy uda się nam odkryć »magiczną formułę« i uprościć wagę, wtedy wzorzec kilograma będzie mogło wykonać każde w miarę dobrze wyposażone laboratorium na świecie. Dzięki temu kraje rozwijające się uniezależnią się od bogatych państw rozwiniętych” – dodaje i podkreśla, że pomimo rywalizacji między zespołami, wszyscy dążą do jednego celu.

Funt według kilograma

Na odmłodzony kilogram czeka cały świat – nawet kraje nadal używające jednostek innych niż ustalone 138 lat temu przez Konwencję Metryczną, która ujednoliciła system metryczny. Jednak własne, odrębne miary i wagi to cały czas symbol prestiżu i cywilizacyjnej przewagi. Dlatego np. Wielka Brytania, oficjalnie objęta systemem metrycznym, cały czas mierzy w systemie imperialnym – funt, czyli brytyjska jednostka masy, jest oficjalnie zdefiniowany jako 0,45359237 kilograma. Paradoksów w świecie miar i wag jest wciąż „od jarda”.

Dla głodnych wiedzy:

  • „Od łokcia do kilograma: historia miar i wag” Anita Ganeri, Nasza Księgarnia, 1998
  • „Miary i ludzie” Witold Kula, Książka i Wiedza 2004
  • „Ku nowej definicji kilograma” Janusz Gluza, Agnieszka Grzanka, Agnieszka Pleban, Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski