Kilogram má novou definici. Jeho fyzická podoba ztratila 50 mikrogramů

Od 20. května začala platit nová definice kilogramu. Ta již nebude mít fyzickou podobu, ale bude odvozená od pevné hodnoty Planckovy konstanty a dalších jednotek.

Kopie originálu kilogram z Paříže v americké laboratoři Sandia. Podobné vzory se nachází v různých laboratořích světa. Jejich hmotnost se ovšem nevyhnutelně liší | foto: Sandia Laboratory

Základní jednotka hmotnosti byla doteď odvozována od svého prototypu uloženém v Sévres. Nově bude vázána na základní přírodní konstantu, díky které bude velikost kilogramu stabilnější. O změně definice rozhodl v loňském roce Mezinárodní úřad pro míry a váhy, platit začala letos o Světovém dni metrologie 20. května. O plánované změně jsme informovali již před osmi lety.

Definice nyní vychází z pevné hodnoty Planckovy konstanty h, která je  podle odborného serveru Aldebaran jedinou konstantou kvantové teorie a má hodnotu h = 6,62607015×10⁻³⁴ Js (joulsekunda) a vyjadřuje závislost mezi energií elektromagnetického záření a jeho frekvencí. Vztah mezi energií a frekvencí fotonu a rychlost světla ve vakuu tedy umožní odvodit hodnotu kilogramu.

Nová definice kilogramu

• O nové definici kilogramu a dalších základních jednotek soustavy SI (Mezinárodního systému jednotek) rozhodli zástupci zemí na konferenci Mezinárodního úřadu pro míry a váhy (BIPM) loni v listopadu ve francouzském Versailles. Nově se nyní základní jednotka hmotnosti odvozuje od pevné hodnoty Planckovy konstanty.
• Dosud byl kilogram definován jako hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v trezoru v Sévresu Paříže. Dlouhá měření však ukázala, že za více než 100 let existence tohoto etalonu kilogramu (válce ze slitiny platiny a iridia) se jeho hmotnost vlivem povrchových procesů, používání či údržby snížila o přibližně 50 mikrogramů. To odpovídá asi jednomu zrnku písku.
• Vědci proto v minulých letech hledali jiné způsoby definice kilogramu, ve hře bylo několik variant. Posléze přistoupili k definici nové, a to na základě pevné hodnoty Planckovy konstanty. Ta patří mezi základní konstanty v kvantové fyzice a vyjadřuje vztah mezi energií fotonu a frekvencí odpovídající jeho vlnové délce.
• Jednoznačná definice kilogramu je důležitá i proto, že se od něj odvozuje řada dalších fyzikální jednotek. Národním metrickým ústavům také odpadne jedna starost: až doposud musely příležitostně své etalony posílat do sídla BIPM ke kalibraci s původním válcem, "Velkým K". V Česku uchovává tento státní etalon (umístěný ve skleněném krytu) Český metrologický institut v Brně.
• Odborný ředitel pro fundamentální metrologii a statutární zástupce Českého metrologického institutu Jiří Tesař loni řekl, že běžný uživatel v oblasti průmyslu, ekonomiky, obchodu nebo domácnosti by změnu zaznamenat neměl. "Pozná až sekundárně po čase, že redefinice umožní rozvoj nových technologií nebo zpřesnění některých měření. Příkladem může být soustava na určování polohy GPS v elektrotechnice," řekl.
• Kilogram byl dosud poslední jednotkou definovanou podle hmotného předmětu, například základní jednotka délky - metr - byla už před lety určena na základě rychlosti světla ve vakuu. Novou definici loni získaly i kelvin (jednotka termodynamické teploty), ampér (jednotka elektrického proudu) a mol (jednotka látkového množství).
• Kilogram (kg) je jednotkou hmotnosti, odpovídá zhruba hmotnosti jednoho litru vody. Název kilogramu je odvozen z latinského kořene "grámma", k němuž se přidala předpona soustavy SI kilo. Přestože označení jednotky již obsahuje předponu, jedná se o základní jednotku a naopak gram je považován za násobek této základní jednotky.
• Definice kilogramu založená na prototypu byla v platnosti od první Generální konference pro váhy a míry (CGPM) v roce 1889. První definice kilogramu přitom pocházela již z roku 1875. Předcházelo jí pověření vědců v dobách francouzského krále Ludvíka XVI., aby stanovili jednotky v desítkové soustavě.

„Kilogram teď je definován na základě Planckovy konstanty h, která byla nedávno změřena s mimořádnou přesností. Její schválená hodnota činí 6.626 070 15 × 10^–34 kg m² s^–1. Planckova hodnota má rozměr momentu hybnosti. V současnosti představují nejpřesnější měření Planckovy konstanty tzv. wattové váhy, které porovnávají tíži tělesa s magnetickou silou. K měření elektrických veličin se využívá Josephsonův jev (jde o vznik elektrického proudu mezi dvěma supravodiči oddělenými tenkou vrstvou izolantu) a kvantový Hallův jev. Právě to umožňuje dát hmotnost do přímého vztahu s Planckovou konstantou,“ píše Jana Štrajblová na stránkách Matfyz.

„Jednotka bude odvozována z číselných hodnot konstanty, které mohou být postupně upravovány, jak budou přicházet data z nových experimentů,“ sdělil ředitel Českého metrologického ústavu Pavel Klenovský. Měření kilogramu tedy bude přesnější. Pro běžný život budou změny zanedbatelné, vědci ale budou schopni přesně měřit veličiny v různých časech, místech a měřítkách.

Nová definice kilogramu tedy nebude mít na běžného člověka vliv, dopady bude mít jen ve vědeckých aplikací a experimentech.

Poslední „stará“ jednotka

Kilogram byl poslední základní jednotkou SI, jejíž hodnota byla odvozena od pevného předmětu. Například metr byl určen na základě rychlosti světla ve vakuu.

Kilogram byl doposud definován pomocí válečku ze slitiny platiny a iridia uchovávaném v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy ve Francii. Každý členský stát organizace má jeho kopii, kterou státy pravidelně přivážely pro změření rozdílů mezi nimi a originálem. Při jakémkoliv zacházení se ale z povrchu může ztratit několik atomů. „Originální válec měl z definice hodnotu jeden kg přesně a bez nějaké opory v základní konstantě přírody nebylo možné rozhodnout, zda ke změně jeho hmotnosti skutečně dochází,“ dodal Klenovský. Způsob měření kilogramu se nakonec vědcům zdál jako nepřesný.

Nová definice se podle Klenovského nedotkne ani přepočítávání z takzvaných imperiálních jednotek používaných v anglosaských zemích, jako je například libra. Ve vědě a průmyslu se v těchto státech používají stejně základní jednotky.

„Obtížně se jich zbavují v přímém styku s občany při prodeji zboží v obchodech, v restauracích a podobně. Občané mají problém si na jednotky zvyknout, i když Spojené státy i Velká Británie jsou v procesu metrication, tedy zavádění jednotek soustavy SI,“ řekl Klenovský.

Také další jednotky, kterých se změna týká, tedy ampéru, kelvinu a molu, budou zafixovány na základních konstantách přírody. Planckova konstanta je základní konstantou kvantové teorie.

Jak se změnili definice veličin jednotek soustavy SI.

Soustava SI, nebo-li Le Systéme International d’Unités, obsahuje také délku, čas a svítivost a jejich jednotky metr, sekundu a kandelu. Do budoucna úřad přemýšlí také o změně definice sekundy.

Aktualizace: Doplnili jsme informace o definici kilogramu.