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.