captcha image

Hasło zostanie wysłane na twojego e-maila.

Poczuliście w piątek jakąś zmianę? Pewnie nie, ale stało się coś ważnego. Nasz świat nabrał zdecydowanie więcej sensu.

[W tekście znajdziecie Strasznie Mądre Definicje. Nie musicie ich rozumieć. Nie musicie ich nawet dokładnie czytać. Serio. To te na szaro.]

Ekscytowaliście się piątkowym głosowaniem metrologów? Tym pod Paryżem, gdzie wreszcie uporządkowano kilogram, mol i amper. Pewnie nie bardzo… Mało kto myśli o metrologach. Nie tych od pogody (mają jeszcze w środku „eo”), tylko tych od jednostek i mierzenia. Tymczasem zawdzięczamy im bardzo, bardzo wiele. Bo miary to jedna z podstaw naszej cywilizacji. Przesadzam?

Naprawdę nie. Bez nich nie ma uczciwego handlu. Nie ma też współczesnej techniki, bo właśnie miary sprawiają, że różne elementy mogą ze sobą współpracować. Jeśli to zaniedbamy, czeka nas katastrofa. Taka jak spektakularna porażka misji Mars Climat Orbiter. W 1999 roku sonda kosztująca ponad 327 mln dolarów spłonęła w atmosferze Marsa tylko dlatego, że program sterujący misją z Ziemi posługiwał się amerykańskimi funtami, a oprogramowanie sondy metrycznymi niutonami.

Bardzo Ważny Kawał Metalu

Wizualizacja wzorca kilograma, który obowiązuje jeszcze do 20 maja 2019 roku. Fot. User:Greg L

Wizualizacja wzorca kilograma, który obowiązuje jeszcze do 20 maja 2019 roku. Fot. User:Greg L [CC BY-SA 3.0]

I na żart zakrawa fakt, że podstawowe jednostki, jakimi się posługujemy oparte są na kawałku metalu, który pochodzi z 1889 roku. Wiecie, jaka jest definicja kilograma? Kilogram to masa, jaką posiada cylinder ze stopu platyny i irydu, który przechowywany jest w sejfie Międzynarodowego Biura Miar i Wag w Sèvres we Francji. By otworzyć sejf potrzeba trzech kluczy przechowywanych w trzech różnych miejscach. Dotąd wzorzec kilograma był wyjmowany tylko trzykrotnie: w roku 1939, 1946 i 1989.

Problem w tym, że ów cylinder nie waży kilograma. On JEST kilogramem. Jeśli osiądzie na nim drobina kurzu lub wesoła mucha pozostawi coś po sobie, to zmieni się miara kilograma na całym świecie. To właśnie konsekwencja oparcia definicji miary na jednym, fizycznie istniejącym przedmiocie. Oczywiście istnieją kopie wzorca kilograma (ten o numerze 51 znajduje się w Polsce), ale one są mu podporządkowane. Jeśli on zmieni masę, to one stają się nieaktualne.

A kilogram to podstawa. I nie chodzi mi tylko o pieczenie ciasta i motywację do dbania o siebie. Kilogram to miara, która stanowi podstawę do mierzenia bardzo wielu aspektów naszego świata. Bo wiele innych jednostek ma w swojej definicji odniesienie się do kilograma. Niuton (jednostka siły) to siła, z jaką trzeba działać na ciało o masie 1 kg, aby nadać mu przyspieszenie równe 1 m/s². Dżul (jednostka pracy i energii) to praca wykonana przez siłę o wartości 1 N przy przesunięciu punktu przyłożenia siły o 1 m w kierunku równoległym do kierunku działania siły. Czyli przez niutona dżul łączy się z kilogramem. Przez takie układy od kilograma zależy paskal (ciśnienie), kulomb (ładunek elektryczny), wat (moc), wolt (napięcie), om (opór), tesla (indukcja magnetyczna), weber (strumień indukcji magnetycznej), siwert (dawka równoważna promieniowania), grej (dawka pochłonięta), simens (przewodność elektryczna) czy henr (indukcyjność).

Czyli jeśli cokolwiek stałoby się z walcem schowanym pod Paryżem, to każda z tych jednostek, a więc każdy z dokonywanych w niej pomiarów, traci punkt oparcia. A przecież to tylko jeden mały metalowy walec. I faktycznie „coś się z nim stało” – przez 130 lat swojej służby stracił 50 mikrogramów. Nie do końca wiadomo dlaczego – być może uwolniły się jakieś zanieczyszczenia, które znajdowały się w stopie. Tak czy inaczej – głupia sprawa…

Metr szyną podparty

Grafika przedstawiająca wygląd wzorca metra obowiązującego do 1963 roku. Źródło Wikipedia, domena publiczna

Grafika przedstawiająca wygląd wzorca metra obowiązującego do 1963 roku. Źródło Wikipedia, domena publiczna

Problem oczywiście nie jest nowy i metrolodzy (czyli spece od mierzenia) od dawna zastanawiali się, jak sprawić by siedem kluczowych jednostek miało twarde i pewne oparcie w czymś bezwzględnie trwałym i niezmiennym. Te siedem jednostek układu SI czyli Międzynarodowego Układu Jednostek Miar to kilogram, sekunda, metr, amper, kelwin , kandela i mol.

Z metrem było nie lada zamieszanie. Najpierw (od 1795 roku) równy był 10−7 długości mierzonej wzdłuż południka paryskiego od równika do bieguna. Potem definiował go kawał szyny. A dokładniej metr to odległość między nacięciami na wzorcu przechowywanym w Sèvres. Nadal próbowano to „zaczepić” w rozmiarze Ziemi i ów kawał szyny miał być równy 0,999914×10−7 połowy ziemskiego południka. Dopiero w 1960 roku spróbowano czegoś pewniejszego określając, że metr to „1 650 763,73 długości fali promieniowania w próżni odpowiadającego przejściu między poziomami 2p10 a 5d5 atomu 86Kr”. Uff… Od 1983 roku metr to coś znacznie prostszego: odległość pokonywana przez światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s.

Takie rozwiązania są najlepsze. Chodzi o to, by „zakotwiczyć” nasze jednostki w niezmiennych wartościach fizycznych. Prędkość światła jest stała niezależnie od czasu i miejsca, więc pomiar da zawsze i wszędzie ten sam wynik. Sekunda z kolei od 1967 roku to „czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego S1/2 atomu cezu 133Cs dla cezu w temperaturze 0K”. Tak, nie brzmi przyjaźnie, ale gdy nieco uprościmy sprawę i uznamy, że to czas, w którym atom cezu drgnie 9 192 631 770 razy, to zrozumiemy, że znowu mamy coś absolutnie niezmiennego. Jednostkę opartą na stałych fizycznych czyli prawach natury, a nie jakichś kawałach szyny schowanych we francuskim sejfie.

Wstydliwe jednostki

Dlatego trzeba było uporządkować trzy ostatnie z podstawowych jednostek, które oparte były na pojedynczych obiektach lub kompletnie abstrakcyjnych opowieściach. W tym celu metrolodzy spotkali się w Paryżu i w piątek 16 listopada przegłosowali nowe definicje trzech „wstydliwych jednostek”. Ich ustalenia zaczynają obowiązywać 20 maja 2019 roku.

Zatem “nowy” kilogram to masa ciała w spoczynku, które w eksperymencie opartym na porównaniu mocy mechanicznej z elektryczną daje wartość 6,63×10-34. Ów eksperyment to pewna odmiana ważenia oparta na tzw. wadze Kibble’a. To urządzenie, które pozwala mierzyć masę nie w oparciu o porównanie z inną masą, tylko dzięki polu elektromagnetycznemu. Znowu trochę liczenia i mamy kilogram, który jest zawsze i wszędzie taki sam.

Dotąd jeden amper był to „niezmieniający się prąd elektryczny, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym przekroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, spowodowałby wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą 2×10−7 N na każdy metr długości przewodu”.

Tak, można się już śmiać. Serio „nieskończenie długie przewody o znikomo małym przekroju”?! Fizycznie nie ma czegoś takiego. I nie będzie. Czyli nie dało się wyznaczyć ampera. Obecna definicja opiera się ładunku elektrycznym niesionym przez cząstki elementarne i częstotliwości drgania cezu-133 (tego samego, który mamy w sekundzie).

Pozostałe dwie poprawione jednostki to mol i kelwin. Cez-133 wraz ze stałą Boltzmana i stałą Plancka pojawia się też w nowej definicji kelwina (dotąd opartej na punkcie, w którym woda jest w równowadze między cieczą, gazem i ciałem stałym). Wreszcie mol to już nie liczba atomów w ważącym 0,012 kg kawałku węgla-12 tylko liczba 6,02214076×1023 cząstek czyli tyle ile wynosi kolejny fizyczny pewnik – stała Avogadra.

I wiecie co? Wreszcie nasz system mierzenia ma solidne podstawy. Takie, które zadziałają zawsze i wszędzie. Takie, które można spisać na małym kawałku papieru (albo na innym nośniku) i odtworzyć w dowolnym czasie i miejscu. Bez nieścisłości, bez martwienia się o to, czy wzorzec nie spadnie na podłogę albo nie obsrają go muchy (niczym portret najjaśniejszego pana).

Kilogram jabłek nadal będę ważył tak samo, ale przynajmniej mam świadomość, że to ważenie nie jest jakąś fikcją.

 

Bardziej szczegółowo o przebojach związanych z kilogramem przeczytacie na znakomitym blogu “Kwantowo”

Dotychczasowe definicje miar zaczerpnąłem z polskiej Wikipedii

Kilogram wreszcie ma sens – zrobili porządek z miarami
5 (100%) 4 głosów

Nie ma więcej wpisów