Strona głównaPytania → Czy wzorzec kilograma się zmienia?

Czy wzorzec kilograma się zmienia?

Pytanie

Pyta Mariusz

Czy wzorzec kilograma faktycznie się zmienia? Słyszałem, że utracił swoją masę – jaki to ma wpływ na inne jednostki miary? Co się dzieje jeżeli zmieniają się inne stałe fizyczne, np. w wyniku bardziej dokładnych pomiarów?

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Dotychczas kilogram, w porównaniu z metrem czy sekundą, zdefiniowany był za pomocą wzorca, a nie za pomocą stałych fizycznych i pewnego określonego zjawiska fizycznego. Na przykład sekunda jest związana z częstotliwością konkretnej fali elektromagnetycznej emitowanej przez atom cezu. Definicja ta pozwala w różnych miejscach na świecie niezależnie skonstruować zegar atomowy i wyznaczyć czas trwania jednej sekundy.

Innym przykładem jest metr. Kiedyś metr był zdefiniowany jako długość odcinka pomiędzy dwoma nacięciami na odpowiednim wzorcu metra. Wzorzec ten był wykonany ze specjalnego stopu platyny i iridium nadającego mu trwałość. Chcąc mieć sposób na określenie ile wynosi metr należało wykonać kopię wzorca. Obecnie metr jest zdefiniowany za pomocą sekundy i prędkości światła w próżni. Innymi słowy ustalono prędkość światła w próżni i teraz wykorzystujemy ją do definicji metra. W praktyce metr wyznacza się jako pewną wielokrotność długości fali emitowanej przez laser helowo-neonowy.

Wracając do kilograma, obecnie – ale tylko do maja 2019 r. – wciąż używamy wzorca. To znaczy w laboratorium Międzynarodowego Biura Mar i Wag w Saint-Cloud we Francji jest kawałek stopu, Międzynarodowy Wzorzec Masy (MWM), który z definicji waży jeden kilogram. Wzorzec kilograma został na przestrzeni lat wielokrotnie powielony i wiele krajów, w tym Polska, posiada takie kopie zwane narodowymi standardami kilograma.

Narodowe standardy kilograma i ich kopie są używane do wytwarzania certyfikowanych materiałów odniesienia, czyli bardzo dokładnych odważników. Co kilkadziesiąt lat narodowe standardy kilograma są porównywane z Międzynarodowym Wzorcem Masy. Do tej pory weryfikacje odbyły się w latach 1889, 1948 i 1989. Pokazały one, że MWM stracił około 50 µg względem swoich kopii. Warto zauważyć, że ponieważ porównujemy masy względem siebie, to tak naprawdę nie wiemy czy wszystkie wzorce stały się cięższe, a MWM zyskał najmniej masy? Czy też wszystkie wzorce straciły masę, a MWM stracił jej najwięcej? A może masa MWM nie zmieniła się i zmieniły się tylko masy kopii? Nie wiemy też do końca jakie zjawiska odpowiadają za zmiany masy. Pewne jest, że przynajmniej częściowo odpowiada za to gromadzenie się brudu na powierzchni wzorców. By temu zapobiec wzorca są przechowywane w specjalnej szczelnej atmosferze i okresowo myte. Te metody zapobiegawcze nie są jednak nigdy w 100% skuteczne.

Jaki wpływ mają zmiany masy MWM na inne jednostki miary? Teoretycznie duży. Za pomocą kilograma zdefiniowanych jest bardzo dużo innych jednostek fizycznych. Na przykład newton, paskal, mol, czy amper. Tak więc zmiana masy MWM wpłynęłaby na te wszystkie jednostki. Na codzień jednak do wyznaczania masy używamy wielokrotnych kopii MWM więc zmiana masy MWM nie ma bezpośredniego i natychmiastowego wpływu na inne jednostki. Dodatkowo, z przyczyn opisanych wyżej jest bardzo trudno określić czy masa MWM faktycznie się zmienia. Jeżeli w jakiś sposób by określono, że masa się zmieniła, to pewnie przedefiniowanoby kilogram. To znaczy kilogram by oznaczał masę MWM plus określona wyżej zmiana masy.

Niedługo problemy te znikną. Międzynarodowy Komitet Wag i Miar właśnie zmienił definicję jednostek fizycznych, w tym kilograma, który (od maja 2019 r.) będzie zdefiniowany za pomocą stałej Plancka h. Podobnie jak w przypadku prędkości światła w próżni, stała Plancka przestanie być wielkością mierzoną, a stanie się wielkością określająca stosunek pomiędzy jednostkami fizycznymi. Tak jak prędkość światłą w próżni określa stosunek metra do sekundy tak stała Plancka określa stosunek energii do sekundy. Do określenia kilograma potrzebowalibyśmy wtedy urządzenia które łączy energię z masą. Jednym z praktycznych urządzeń tego typu, które dodatkowo zapewnia bardzo dużą dokładność jest waga Kibble’a. Mierzy ona energię elektryczną potrzebną do utrzymania ciężaru ciała w polu grawitacyjnym. Ponieważ taką wagę można po prostu zbudować, taka definicja pozwala wyznaczyć kilogram w dowolnym miejscu na Ziemi. Pewną wadą takiego urządzenia jest, że ponieważ mierzy ono ciężar ciała, to potrzebujemy bardzo dokładnej informacji o przyspieszeniu ziemskim. Więcej szczegółów dotyczących nowej definicji kilograma wspomnianych jest tutaj.