Wyobraźmy sobie, że ludzkość wreszcie nawiązała kontakt z obcą cywilizacją. Aby o czymś sensownie pogadać, musimy najpierw zająć się podstawowymi kwestiami. „Jak mierzycie czas?” – pytają kosmici. „Liczymy czas przejścia między dwoma stanami izotopu cezu-133 i mnożymy to przez 9192631770, aby otrzymać jednostkę zwaną sekundą” – odpowiadamy. „Rozumiemy, a co z odległością?”. „To metr – dystans, jaki pokonuje światło w próżni w ciągu 1/299792458 sekundy”. „Super! A jednostka masy?”. Tu po stronie Ziemian zapada żenująca cisza. „Eeee… tego… mamy taki kawałek metalu w sejfie pod Paryżem… Jak do nas przylecicie, to będziecie mogli go sobie obejrzeć, ale nie wolno go dotknąć, bo się popsuje”.
Kompromitacja na skalę galaktyki, prawda? Ale tak to właśnie wygląda. Kilogram to jedyna jednostka podstawowa układu SI, której wzorcem do dziś jest obiekt materialny – walec odlany ze stopu platyny z irydem, przechowywany w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sevres. Pomijając ewentualne problemy z kosmitami, taki kawałek metalu może przecież ulec zniszczeniu w jakimś wypadku albo wskutek ataku terrorystycznego. Ba, nawet to nie jest potrzebne – zwykłe procesy fizyczne sprawiają, że kilogram nie jest już kilogramem.
POZBYĆ SIĘ MATERII
Wzorzec odlany w 1889 roku nie jest jedyny na świecie – istnieje mnóstwo jego „klonów”, które co kilka lat są z nim porównywane. I okazało się, że na przestrzeni lat część kopii przytyła, część schudła, przy czym największa różnica wynosi 35 mikrogramów. W takiej sytuacji nie można mieć pewności, że główny wzorzec oparł się zmianom – mógł się zakurzyć albo stracić na wadze wskutek czyszczenia. I choć różnica wydaje się minimalna, jej wpływ na badania naukowe może być przeogromny. W medycynie dawki leków odmierza się czasami w ułamkach mikrogramów; fizyka operuje jeszcze mniejszymi masami.
Co gorsza, z 29 jednostek międzynarodowego układu miar SI, aż 19 odwołuje się jakoś do masy – m.in. niuton, paskal, dżul, wat, kulomb czy wolt. Tak więc z kilogramem mamy do czynienia, nie tylko kupując warzywa, ale też gdy dostaniemy rachunek z elektrowni, sprawdzamy prognozę pogody czy wymieniamy baterie w dziecięcej zabawce. Kilogram jest wszechobecny. Dlatego uczeni chcą pozbyć się materialnego wzorca kilograma i stworzyć definicję tej jednostki, jak w przypadku sekundy czy metra.
Takie rozwiązanie ma mnóstwo zalet. Z niematerialnego „przepisu” możemy korzystać w dowolnym miejscu i czasie z dowolną precyzją, na jaką stać współczesną technikę. Ma też wadę – nikomu jeszcze się to nie udało, choć wielu uczonych poświęciło całą swą karierę nowej definicji kilograma.
WIELKIE LICZENIE ATOMÓW
W czołówce niewątpliwie są naukowcy z Australian Centre for Precision Optics, którzy właśnie doszlifowali nowy wzorzec – najgładszą na świecie kulę z czystego kryształu krzemu. Ma ona średnicę 93,75 mm, przy czym nierówności na jej powierzchni nie przekraczają trzech nanometrów, a odchyłka od krzywizny sfery – 60 nm. Innymi słowy, gdyby Ziemia była tak gładka, jej najwyższe „góry” miałyby raptem 15 milimetrów wysokości. „Tylko nasi optycy są w stanie stworzyć ten najbardziej kulisty obiekt na świecie” – uważa dr Barry Inglis, szef australijskiego National Measurement Institute.
JAK SIĘ ROBI SUPERKULĘ?
Perfekcyjny odważnik kilogramowy powstał dzięki międzynarodowej współpracy uczonych z Rosji, Niemiec, Włoch, Belgii, Japonii, Australii i USA. Materiałem budulcowym jest krzem-28 – jeden z najczęściej spotykanych izotopów tego pierwiastka. Naukowcy potrzebowali jednak wyłącznie atomów jednego rodzaju, dlatego konieczne było pozbycie się innych izotopów. Posłużyła do tego rosyjska wirówka do wzbogacania uranu, która w czasach zimnej wojny pomagała budować bomby atomowe.
Z odwirowanego krzemu w Niemczech wyhodowano monokryształ przy użyciu tej samej technologii, którą wykorzystuje się w przemyśle elektronicznym do produkcji układów scalonych. Właśnie dlatego naukowcy postanowili użyć krzemu – nie potrafią jeszcze tworzyć idealnych sieci krystalicznych ze złota czy platyny. Krzemowy monokryształ rósł przez trzy lata! Następnie pojechał do Australii, gdzie został pocięty na kawałki. Potem zaczął się proces toczenia. Najpierw powstały kulki o średnicy trochę większej niż docelowa. Później specjaliści od optyki precyzyjnej zaczęli szlifować je techniką stosowaną przy produkcji soczewek. Po trzech miesiącach żmudnej pracy powstaną dwie perfekcyjnie gładkie kule, każda o średnicy dokładnie 93,75 mm.
Nic dziwnego, że powstawanie wzorca nadzorował emerytowany inżynier Achim Leistner, najlepszy specjalista od szlifowania soczewek w Australii.
Rozmiar kuli nie jest przypadkowy – waży ona dokładnie tyle, ile australijski wzór kilograma. Teraz zaczyna się najtrudniejsza część. Uczeni chcą ustalić, ile atomów krzemu znajduje się w kuli, by w ten sposób na nowo zdefiniować kilogram. Zajmuje się tym pięć zespołów, które za pomocą promieni Roentgena określają dokładną odległość między atomami. Gdy skończą, porównają wyniki i zobaczą, czy definicja trzyma się kupy. Żeby ulepić kilogram, trzeba policzyć ponad sześćset tryliardów atomów i to z malutkim błędem, nie większym niż parę biliardów sztuk…
Nic dziwnego, że pomiary krzemowego wzorca będą odbywać się w wysokiej próżni i ściśle kontrolowanej temperaturze. Naukowcy muszą uwzględnić nawet cieniutką (1–2 nm) warstewkę tlenków krzemu, tworzącą się na powierzchni kuli wskutek kontaktu z ziemską atmosferą.
PRĄDEM GO, PRĄDEM!
Liczenie atomów ma poważną konkurencję w postaci wagi prądowej, wymyślonej w XIX wieku przez lorda Kelvina w celu wyznaczenia wartości ampera. Jej unowocześniona wersja to aparat wysokości dwupiętrowego budynku, wykonany przez uczonych z amerykańskiego National Institute of Standards and Technology (NIST). Waga ta określa z gigantyczną dokładnością siłę potrzebną do zrównoważenia przyciągania kilogramowego odważnika przez pole grawitacyjne Ziemi.
Ponieważ masa mierzona jest tu jako wartości napięcia i natężenia prądu, kilogram można zdefiniować, opierając się na stałej fizycznej, zwanej stałą Plancka. Efekt? Nowa definicja brzmiałaby „masa spoczynkowa ciała, którego energia równoważna jest energii fotonów, których częstotliwości sumują się do 1, 356392733×1050 Hz”. Brzmi to nie tylko bardzo naukowo, ale i bardzo „einsteinowsko”, jako że wiąże masę z energią zgodnie ze słynnym równaniem E=mc2. Nic dziwnego, że ten wzorzec nazwano „elektrokilogramem”.
WAGA KOSMICZNA 2011
Nie jest jeszcze pewne, która metoda okaże się lepsza. Stary irydowo-platynowy kilogram może zostać pokonany zarówno przez krzemową kulkę, jak i przez prąd. A być może nowy wzorzec powstanie dzięki połączeniu obu technologii? Dowiemy się tego najwcześniej w 2011 r., bo dopiero wtedy możliwe będzie oficjalne przedefiniowanie kilograma. Do tej pory musimy żyć w niepewności – na szczęście niezbyt wielkiej. „Nowa definicja kilograma nie powinna mieć większego wpływu na inne pomiary czy codzienne życie” – pociesza Hy Tran, szef działu standardów z Sandia National Laboratories. Chyba że w końcu spotkamy tych kosmitów…
ILE WAŻY ELEKTRYCZNOŚĆ?
Waga prądowa w NIST to złożony układ elektromagnesów i cewek. Wytwarzane w jej wnętrzu pole magnetyczne idealnie równoważy ciężar jednego kilograma. Aby zwiększyć precyzję pomiaru, uczeni umieścili najważniejsze elementy w komorze próżniowej wykonanej z włókna szklanego.