Pozorovatelé na letošní říjnové Mezinárodní konference o mírách a váhách v Paříži se shodli, že většinu času se mluvilo o penězích, konkrétně o členských příspěvcích a budoucnosti této organizace. Na samotné jednotky mnoho času nezbylo. Ale během této chvíle se účastníci shodli na největších změnách v mezinárodním systému měr a vah za poslední desítky let.
Změny se budou týkat především kilogramu, ale i dalších základních jednotek, jako je mol či ampér. Platit sice začnou nejspíše nejdříve za tři roky, kdy by je mělo schválit další zasedání stejné konference, ale pojďme se na ně připravit v předstihu.
Srazil se nám kilogram, miláčku
Začněme změnou nejzávažnější: u jednotky hmotnosti. Kilogram je dnes mezi jednotkami soustavy SI výjimka. Není odvozen od přírodního děje či vlastností hmoty, ale od prototypu. Úplně stejně jako před více než 120 lety, kdy byl v mezinárodním měřítku zaveden.
Mezinárodní prototyp kilogramu je váleček tvořený slitinou z 90 procenty platiny a deseti procenty iridia. Spolu se šesti svými kopiemi se skrývá v trezoru Mezinárodního úřadu pro míry a váhy v Sèvres u Paříže. I když je uchováván v přísně kontrolovaných podmínkách, hmotnost prototypu kilogramu přesto není stále stejná. Mění se například v důsledku oxidace povrchu a pronikání plynů do kovu i dalších vlivů. Při posledním měření vyšlo najevo, že prototyp ztratil za sto let zhruba 50 mikrogramů, tedy hmotnost odpovídající zrnku písku, jak jsme psali zde. Stejně nevyzpytatelně se mění i hmotnosti jednotlivých kopií kilogramu po celém světě.
Jednotka, která se sama od sebe mění, samozřejmě představuje do jisté míry problém. V roce 1999 se státy světa podepsané pod původní Dohodou o metru (od roku 1960 přejmenované na Mezinárodní systému jednotek, tedy SI od francouzské zkratky tohoto výrazu) dohodly, že dojde k redefinici jednotek doslova podle stejného metru.
Všech sedm základních jednotek SI by mělo být vyjádřeno s použitím tzv. "tvaru s explicitní konstantou", ve kterém je "jednotka definována nepřímo stanovením přesné hodnoty všeobecně uznávané fundamentální konstanty." V podstatě to znamená, že místo, abychom ukázali na kus kovu a řekli, že to je kilogram, dohodneme se na tom, že "kilogram je x-krát něco, co si může změřit každý, a co je vždy stejné."
Tak jako tomu bylo v roce 1983 s metrem, který je nyní definovaný v závislosti na rychlosti světla ve vakuu, která je považována za základní přírodní konstantu. Přesně řečeno je to vzdálenost, kterou světlo urazí za 1/299 792 458 sekundy. S rychlostí světla je svázána i sekunda. A nyní už je jasné, se kterými fyzikálními konstantami by měla být svázány i ostatní veličiny.
Závaží za... za co vlastně?
V případě kilogramu se bohužel zřejmě nepodaří dojít tak jednoduše elegantní definici jako u metru. Nakonec se metrologové rozhodli pomoci si Planckovou konstantou, kterážto vyjadřuje závislost mezi energií elektromagnetického záření a jeho frekvencí. "Probíhá několik experimentů, které mají nezávisle na sobě hodnotu této konstanty upřesnit, a tak umožnit, aby byl s její pomocí kilogram odvozen alespoň se stejnou nebo větší přesností, než je tomu dnes," říká Pavel Klenovský, generální ředitel Českého metrologického institutu, a dodává: "Původně se dokonce počítalo, že se nové definice schválí už letos, ale přesnost a shoda jednotlivých experimentů mezi sebou ještě nebyla dostatečná, a tak si počkáme ještě čtyři roky do dalšího zasedání."
Pokusy, o kterých mluví, probíhají na několika místech světa různými metodami. Jednou z nich jsou například tzv. výkonové (nebo wattové) váhy. Ty měří hmotnost "oklikou" přes působení elektromagnetických sil na hmotné těleso. (Je to o dost složitější: První část experimentu je založena na měření síly, která působí na cívku protékanou proudem umístěnou v magnetickém poli a ve druhé části se měří indukované napětí na téže cívce, která se pohybuje rovnoměrnou rychlostí v tomtéž magnetickém poli. A to je jenom velmi zjednodušený popis.)
V dalším experimentu se vědci snaží určit počet atomů křemíku v přesně daném tělese (jde o velkou křemíkovou kouli, která je křemíkovým monokrystalem) a z toho určit kolik atomů daného prvku by tvořilo jeden kilogram. (To je velmi hrubé zjednodušení projektu Avogadro, o kterém si můžete více přečíst zde.)
Zatím nedávají experimenty tak konsistentní výsledky, aby s nimi vědci byli spokojeni. Ale až se tak stane (a čeká se, že to za tři roky bude), nahradí dosavadní definici kilogramu pravděpodobně ta, kterou navrhlo letošní zasedání v Paříži: "kilogram je jednotkou hmotnosti; jeho velikost je dána zafixováním číselné hodnoty Planckovy konstanty na hodnotě 6,62606896*10-34, je-li vyjádřena v jednotce s−1 m² kg, což je rovno J s." Aby se nám po pařížském závaží pod poklopem ještě nestýskalo...
Na pohled paradoxním důsledkem zpřesnění definice kilogramu bude jisté rozostření této jednotky. Hodnota bude obsahovat jistou míru nejistoty v řádu stomiliontin. Předtím se kilogram prostě rovnal váze pařížského prototypu a nejistota nebyla žádná - kromě té, jestli nám kilogram moc nezhubnul. Ve skutečnosti však bude mít definice tu výhodu, že si kilogram může teoreticky "odvážit" každý, kdo má dostatečné vybavení, a nemusí čekat na kopii z Paříže.
Kilogram spustí lavinu
Změna definice kilogramu bude mít i druhotné dopady. Ovlivní například mol, tedy jednotku vyjadřující počet částic v daném množství hmoty. Zatím je definovaný tak, že jeden mol se rovná počtu atomů uhlíku (přesněji izotopu uhlíku 12) ve 12 gramech. Nová definice nebude závislá na kilogramu, tedy nebude v ní nic o 12 gramech uhlíku. V podstatě bude jednoduše definována zafixováním na určité hodnotě.
Změny se dotknou i dalších běžně používaných jednotek. Například nová definice ampéru bude říkat, že ampér se rovná průchodu daného počtu elektronů vodičem za danou dobu. Ke změně vede i to, že dnes lze ve speciálních obvodech řídit průchod jednotlivých elektronů. A protože elektřina je kvantová veličina (vyskytuje se jen po kvantech jednoho elektronu a náboj půl elektronu neexistuje), má smysl proud určovat pomocí násobku její elementární složky.
Na paškál si metrologové vzali i kelvin. Dnes je určen jako jedna "dvě stě sedmdesát tři celých jedna šestnáctina" absolutní teploty trojného bodu vody (místo rovnovážného stavu mezi pevnou látkou, kapalinou a plynem, které odpovídá u vody 0,01 stupňům Celsia). Nový přístup spočívá v přesném změření další fyzikální konstanty, tzv. Boltzmannovy a pak odvozením kelvinu od ní.
Proč to všechno?
Nabízí se samozřejmě otázka, proč se něčím takovým zabývat. Metrologové odpovídají, že důležitost přesného měření jasně ukazuje praxe: "Dostáváme spoustu otázek a požadavků po expertní pomoci, protože lidé si začínají stále více uvědomovat, že přesnost měření je důležitá ve všem od nakupování v obchodě po měření odběru vody," říká Pavel Klenovský.
Spolupráce se týká i průmyslu, kde jsou nároky na přesnost obvykle ještě větší. Týká se to nejen přesného strojírenství, ale třeba i medicíny. Při nasazování ozařovací terapii je například velmi tenká hranice mezi léčbou nádoru a ničením zdravé tkáně.
Pro většinu z nás ovšem taková přesnost, které dosahují výše zmiňované experimenty, samozřejmě důležitá není. "V takovýchto řádech je zajímavá především pro fyziky," říká Pavel Klenovský. Jak může být přesnost zásadní, ukazují například "nadsvětelná" neutrina z letošního roku (článek zde). V tomto případě teorie relativity od podstatné proměny dělí jenom 60 miliardtin sekundy. A existují i experimenty pracující s podstatně menšími čísly.
