Ile waży kilogram?

Ile waży kilogram?

Gdy kupujemy w supermarkecie hamburgera, nie musimy martwić się o to, czy masa zapisana na opakowaniu jest prawidłowa. Dzieje się tak dlatego, że istnieje cały system – od sklepu w sąsiedztwie po laboratoria naukowe rozrzucone po całym świecie – który ma za zadanie zapewnić prawidłowe skalowanie wag. Odpowiedzialność za utrzymanie dokładnych norm pomiarowych tradycyjnie zawsze spoczywała na rządach, ale dzisiaj jest również ważnym przedsięwzięciem naukowym. Lecz czy staroświecka, czy dzisiejsza, podstawowa idea jest taka sama – rząd ustala wzorzec masy, długości czy czegokolwiek innego, do którego każdy podlegający jurysdykcji rządu musi się stosować.

Najstarszym takim znanym wzorcem jest babilońska mina, jednostka wagi równa około 700 gramom. Wzorzec przechowywany był w postaci przekrojonych kaczek (5 min) i łabędzi (10 min) i był prawdopodobnie stosowany w wagach handlowych. W Wielkiej Karcie Swobód (Magna Charta Libertatum) król Jan wyrażał zgodę na to, by w „całym królestwie obowiązywały normy miar na wino, ziarno, piwo”. Zarządca wielkich średniowiecznych jarmarków w Szampanii przechowywał żelazny pręt i wymagał, by wszystkie sztuki sukna sprzedawane na targu miały szerokość tego pręta. Przez większość historii pisanej każdy kraj stosował wiele różnych wzorców do różnych celów. Na przykład w Ameryce mierzymy powierzchnię w akrach, produkcję zboża w buszlach, a wysokość w stopach i calach. Zgodnie z „Podręcznikiem chemii i fizyki” istnieje nie mniej niż osiemnaście różnych rodzajów jednostek, zwanych baryłką, do mierzenia wszystkiego – od trunków po ropę naftową. Jest nawet baryłka stosowana wyłącznie do mierzenia ilości żurawin!

Przypuszczam, że narody przemysłowego świata podpisały w 1875 roku Konwencję Metryczną, by odejść od tego rodzaju bałaganu. Zgodnie z tym traktatem „ten” kilogram i „ten” metr miały być przechowywane w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag pod Paryżem, a wtórne wzorce miały się znajdować w stolicach innych krajów. W Stanach Zjednoczonych były one przechowywane w Urzędzie Normalizacyjnym (Bureau of Standards, teraz NIST – National Institutes of Standards and Technology) w Waszyngtonie. Metr był odległością pomiędzy dwoma znakami na pręcie ze stopu irydowo-platynowego, a kilogram – masą szczególnego cylindra z tego samego materiału.

Jednak od czasu ustanowienia tych prostych, intuicyjnych wzorców postęp techniczny uczynił je przestarzałymi. Niech „ten” metr spoczywa w podziemiach w Paryżu, ale o wiele wygodniej byłoby, by każdy mógł mieć dostęp do jednolitego wzorca. Tak więc istniało dążenie do odchodzenia od tego rodzaju scentralizowanego przechowywania wzorców, skodyfikowanego w Konwencji Metrycznej, ku wzorcom opartym na jedynej naprawdę uniwersalnej rzeczy, jaką znamy – własnościach atomu. Jednym z przykładów takiego posunięcia jest zbudowanie zegara atomowego, innym – nowy wzorzec metra. W 1960 roku zaprzestano używania irydowo-platynowej sztaby i wzorzec metra ustalono na nowo jako 1 650 763,73 długości fali światła określonego koloru emitowanego przez atom kryptonu. Ponieważ każdy atom kryptonu na świecie jest taki sam, to przedefiniowanie oznaczało, że każde laboratorium na świecie mogło posługiwać się swoim wzorcem metra. W 1983 roku, ze względu na dalszy rozwój zegara atomowego, metr został ponownie zdefiniowany jako długość, jaką przemierza światło w próżni w ciągu 1/299 792 458 sekundy. I znów ten wzorzec może znajdować się w każdym laboratorium.

Lecz kilogram się nie zmienił. Ciągle jest tym samym cylindrem umieszczonym wewnątrz trzech ochronnych szklanych dzwonów na kwarcowej płycie w podziemiach Paryża. Jednakże nawet w takim otoczeniu atomy innych substancji przylepiają się do powierzchni cylindra. Aż do 1994 roku był on okresowo czyszczony przez starego technika używającego w tym celu irchowej ściereczki. Pamiętam, że przysłuchiwałem się niezmiernie fascynującej dyskusji w czasie lunchu w NIST na temat, czy lepiej jest usuwać atomy przez czyszczenie, czy może pozwolić gazom zbierać się na powierzchni. Gdy Stany Zjednoczone chcą sprawdzić, czy ich wersja kilograma zgodna jest nadal ze wzorcem w Paryżu, amerykański kilogram musi być do testów przewożony przez ocean. Kiedy odbywało się to ostatni raz w 1984 roku, wraz ze wzorcem podróżowało dwóch naukowców – jeden go niósł, drugi miał go łapać, gdyby został upuszczony.

Nie ma ucieczki od zaawansowanej technicznie społeczności i w związku z tym olbrzymi nacisk kładzie się na utworzenie atomowego wzorca masy i umieszczenie „tego” kilograma w muzeum. Umożliwić to może nowa technika izolowania pojedynczych atomów w skomplikowanej „pułapce”, utworzonej przez siły elektryczne i magnetyczne, tak że można te atomy badać niekiedy miesiącami. Takie pojedyncze atomy pozostają w pułapkach tak długo, że nadawane są im imiona (pierwszy, atom baru, złapany w latach 80. w Monachium, został nazwany Astrid). Określenie masy poszczególnych atomów z bardzo dużą dokładnością nie jest zbyt trudne; problem stanowi natomiast określenie liczby atomów w próbce dostatecznie dużej, by mogła służyć jako wzorzec masy.

Cylinder, który tworzy teraz „ten” kilogram, zawiera w przybliżeniu 10000000000000000000000000 atomów, tak więc jeśli nawet wiemy z niesłychaną dokładnością, ile waży każdy z nich, będziemy mieć prawdziwy problem z określeniem, ile ich zebrać. Obecnie rozwijanych jest co najmniej pięć różnych technik nadania kilogramowi atomowej definicji i myślę, że nie trzeba będzie długo czekać, aż jedna z nich pozwoli osiągnąć sukces. Gdy to się stanie, kilogram dołączy do metra w muzeum.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *