Problémy s kilogramem

Můžu si ji podržet? Když slíbíš, že budeš opravdu opatrný. Ano, slibuju, že budu hrozně opatrný. - Budu opatrný, slibuju. - Dobře. Klouže to, tak buď opatrný. Připravený? Chystám se dotknou kilogramové koule z atomů křemíku 28, ve které jich je 2,15 krát 10 na 25.

Je to opravdu neuvěřitelný pocit. To je úžasné. Kromě jejích tvůrců jsem jedním z mála lidí, kteří tuto kouli drželi v ruce. Materiál, ze kterého byla vyrobena měl cenu 1 milion eur, ale nyní, když byl tak pečlivě vytvarován... - Jakou to má cenu? - Nevyčíslitelnou. To, na co se právě díváš, je nejkulatější věc na světě.

Jak můžeš s jistotou říct, že je to ta nejkulatější věc? Země je přece docela kulatá, ne? Kdyby tohle byla Země... Kdyby to byla Země, tak z nejvyšší hory k nejnižšímu údolí by bylo...? Asi 40 metrů. To je až neuvěřitelné. To je neuvěřitelně kulaté. Ale proč byste utratili milion eur a tisíce hodin lidské práce, abyste vytvořili perfektní kouli z čistého křemíku.

Odpovědí je grave. Grave je označení původně z francouzštiny. Grave bylo původní označení pro základní jednotku hmoty v metrickém systému. Z něhož se stal Systéme International d'unités, neboli jednotky SI. Roku 1793 komise, ve které zasedal i významný vědec a šlechtic Antoine Lavoisier, definovala základní jednotku hmotnosti jako váhu 1 kubického decimetru vody při teplotě tání ledu.

Jinými slovy, litrem ledové vody. Název grave vznikl ze slova gravitas, což znamená váha. Ale nemělo to dlouhého trvání. Znělo to příliš podobně aristokratickému titulu Graf, což je něco jako hrabě nebo kníže. S Francouzskou revolucí za zády, která hlásala rovnost pro všechny, jste nemohli mít jednu jednotku vznešenější než druhou.

A tehdy Lavoisier ztratil hlavu. Doslova. Ne proto, že pomáhal vytvořit jeden z nejlepších systémů měření všech dob, ale protože coby šlechtic vybíral daně. Takže to bylo doslova na ostří nože. Republiková vláda si myslela, že grave by byl na běžné měření příliš velký. Tak přešli na gram, což byla tisícina gravu. Ale brzy si uvědomili, že gram je příliš malý a vrátili se ke gravu.

Ale protože ho tak nazývat už nemohli, tak vymysleli kilogram. Tisíc gramů. A proto je mezi sedmi základními jednotkami SI kilogram jediný, který má v názvu předponu. Roku 1799 byla definice kilogramu změněna na hmotnost litru vody při 4°C. Teplotu, při které má největší hustotu. Ale voda očividně není zrovna ta nejrozumnější věc jako hmotnostní standard.

Proto byl vytvořit platinový válec, který měl stejnou hmotnost jako definovaná voda. Byl pojmenován jako archivní kilogram. Je třeba zdůraznit, že kilogram už dále není svázaný s hmotností objemu vody. Archivní kilogram je podle definice kilogramem. O 90 let později, roku 1889, byl kilogram vylepšen do podoby válce ze slitiny platiny a iridia.

Byl mnohem tvrdší, než originál, ale jinak v podstatě stejný. A ten až do dneška zůstává definicí kilogramu. Oficiálně se nazývá Mezinárodní prototyp kilogramu. Je také známý jako Le Grand K nebo Velké K. A je asi takhle velký. Je to jediná věc v celém vesmíru, která váží přesně jeden kilogram. Protože to je kilogram.

Také je to jediná jednotka SI, která je stále definována hmotným předmětem. Je uložen pod 3 vývěvami, vedle 6 sesterských kilogramů, v klimatizovaném trezoru, zamčeném třemi různými klíči, ve sklepě Mezinárodního úřadu pro míry a váhy na okraji Paříže. Kdyby se vám podařilo vloupat se dovnitř a Velké K pozměnit, tak byste změnili definici kilogramu. Změnili definici, na které závisí mnoho našich měření.

Uvrhli byste svět do chaosu. No, vlastně ne tak docela. Ale jak by to vůbec někdo poznal, kdyby se hmotnost Velkého K změnila? Když byl vytvořen, tak se vytvořilo 40 shodných kopií. Nebyly naprosto shodné. Jejich hmotnost byla od Velkého K lehce rozdílná, ale tyto odchylky byly zaznamenány.

Tyto repliky byly rozeslány po celém světě, aby sloužily jako národní standardy. Roku 1948 byly kilogramy shromážděny pro převážení. A tehdy začaly problémy. Přestože jsou válce vytvořeny ze stejné slitiny a skladovány za stejných podmínek, tak se jejich hmotnosti v čase různě měnily.

Hmotnost Velkého K ani nebyla stejná s hmotnostmi, které mělo 6 sesterských válců, které jsou s ním skladovány. A aby to bylo ještě horší, tak je znovu převážili po 40 letech a jejich hmotnosti se rozcházely ještě víc. Až o 50 mikrogramů. To je přibližně váha otisku prstu. Ale otisky za to nemohou, protože kilogramy jsou před vážením pečlivě omyty.

Takže nějaký fyzikální proces musí měnit váhu válců. Ale jak přesně se to děje zůstává čirou spekulací. Jedna věc je jistá. Hmotnost platino-iridiového válce není stabilní. A to je velký problém. Nemůžete mít jednotku, která mění svou hodnotu. A netýká se to jen měření váhy. Ze sedmi základní jednotek SI čtyři závisí na velikosti kilogramu.

A to nemluvím o odvozených jednotkách jako newtonech, joulech, voltech a wattech. A pak jsou tu země, které nepřijaly metrický systém. Ano, mluvím k vám, Libérie, Barmo a USA. Můžete se cítit povýšeně, protože vaše jednotka hmotnosti, avoirdupois libra, už není definována fyzickým předmětem, místo toho je definována přesně jako 0,45359237... ...kilogramu.

To naštve. Očividně se tedy musí udělat něco, aby kilogram přestal být závislý na fyzickém předmětu. A z toho důvodu vznikla křemíková koule. Ale jak přesně to pomůže? Máš tu fyzický předmět. Je nádherný, ale je to pořád fyzický předmět. A tomu se chcete vyhnout.

Tomu se snažíme vyhnout. Ale u tohoto předmětu počítáme, kolik je v něm atomů. Přece nemůžeš spočítat, kolik jich tam je, ne? Nemůžeš je spočítat, ale můžeš vypočítat, kolik jich tam je, protože tenhle materíál je křemík. Nejsou tam žádné póry nebo kazy. - Takže je to jako perfektní krystal křemíku? - Přesně. Nejen, že je to čistý křemík, ale také obsahuje jen jeden izotop.

Křemík 28. A to vysvětluje, proč byl původní materiál tak drahý. A proč koule? Koule je totiž celkem jednoduchý tvar. Když znáš průměr koule, tak můžeš určit její rozměry. To vysvětluje, proč koule musela být nejkulatější věcí na světě. Ale jak vytvoříte něco tak kulatého?

Nejprve jsme začali s větší koulí. V průměru byla větší asi o 2 milimetry. A poté jsme ji postupně vybrušovali. Pořád jemněji. Používali jsme abraziva. Ty odstraňují jednotlivé atomy. Snažíš se vytvarovat objekt na atomární úrovni. Vytvořit kouli je jen polovina práce, poté musíte přesně změřit její průměr.

Průměr byl měřen laserem. Měří se to tak, že je koule umístěná do středu dutiny, laser rotuje z obou stran a měří se mezera. Ze znalosti průměru můžete vypočítat její objem. A protože rozložení atomů křemíku je s velkou přesností známé, tak můžete vypočítat, kolik atomů kouli tvoří. To vám umožní redefinovat avogadrovu konstantu.

V současnosti je avogadrova konstanta definována v závislosti na kilogramu. Je definována jako počet atomů ve 12 gramech uhlíku 12. Ale když použijeme nový postup, tak počet atomů v kouli určí avogadrovu konstantu. A ta pak bude definovat kilogram. Takže i kdyby se křemíková koule ztratila nebo poškodila, tak by to na definici kilogramu nemělo efekt, protože by nebyl definován fyzickým předmětem, ale určitým konceptem.

Ráda bys viděla, že oficiální definice kilogramu říká: "Kilogram je hmotnost 2,15 krát 10 na 25 atomů křemíku 28". Ano. Stane se to? S velkou pravděpodobností se to stane. Ale je tu i další způsob, jak redefinovat kilogram. Ta zahrnuje zpřesnění Planckovy konstanty za použití něčeho, čemu se říka Wattová váha.

Tyto dva přístupy se doplňují. Jeden umožňuje kontrolu druhého. A pokud se shodnou a sníží nepřesnost pod 20 mikrogramů, tak mohou redefinovat kilogram už v roce 2014. Kilogram bude konečně neměnnou jednotkou a už nebude definován fyzickým předmětem, uloženým v podzemním trezoru někdeu Paříže. Jestliže byl kilogram původně zamýšlen jako hmotnost litru vody při největší hustotě, tak jak přesně se nám to povedlo změřit?

Když si vezmete litr vody při teplotě téměř 4°C, tak má hmotnost 999,975 gramu. Můžete se na to dívat dvěma pohledy. Z jedné strany lze říct, že je kilogram trochu těžší, než by měl být. Z druhé strany, před 214 lety byli vědci schopni vytvořit předmět který byl přesný až na odchylku o velikosti zrnka rýže.

A to je opravdu pozoruhodné. Pokud chcete slyšet víc o wattové váze, napište do komentářů a uvidím, co zmůžu. Vypadá to, že je favoritem v redefinování kilogramu. Budeme muset počkat a uvidíme, co se stane. Poslední věc. Měl bych poukázat na to, že na vytvoření křemíkové koule se podílel mezinárodní tým vědců.

Ale ví někdo, jaký vědec poprvé identifikoval křemík? Neměli by se mu také připsat zásluhy? Stalo se to roku 1787 a nebyl to nikdo jiný než Antoine Lavoisier. Byl zapojen do definování kilogramu od začátku do konce. Nebo od kolébky až do hrobu.