Kolik váží kilo? Proč vědci nově definovali základní jednotku hmotnosti?

Již od 19. století definoval základní jednotku hmotnosti pevný objekt – lesklý váleček slitiny platiny a iridia, který spočívá v sejfu Mezinárodního úřadu pro míry a váhy ve francouzském Sèvres. V pátek 16. listopadu 2018 se však ve Versailles sešli zástupci více než 60 národů a dohodli se na nové definici kilogramu, která jednotku přesouvá z „hmatatelné“ minulosti do 21. století: Nově se tedy odvozuje od veličiny kvantové fyziky, tzv. Planckovy konstanty (viz Zrodila se nová fyzika). A přestože náš běžný život „vylepšená“ definice nijak neovlivní, vědcům otevře cestu k mnohem přesnějším experimentům.  

Všechno si žádá měření

O schválení změny se sice muselo hlasovat, ale podle odborníků šlo spíš o formalitu: Všichni si byli jisti, že návrh projde. Nicméně pro Jona Pratta, jednu z vůdčích osobností iniciativy, se nejednalo jen o symbolickou událost. Podle něj žijeme v éře násilí a svárů, kdy se zdá, že se lidé takřka na ničem nedokážou shodnout – a přesto se usnesli na nové definici základní jednotky hmotnosti. Pratt to pokládá za potvrzení, že se všichni podrobujeme stejným přírodním zákonům. „Je to pro mě velice emotivní moment,“ svěřil se, „jsem na lidstvo velmi hrdý.“  

Na jeho pracovišti, v Národním institutu standardů a technologie v americkém Gaithersburgu, se míra často označuje za neviditelnou infrastrukturu světa. Každý úkon, který člověk provede – ať už zjišťuje, kolik je hodin, předpovídá počasí, vaří jídlo, staví raketu, podepisuje smlouvu, nebo vede válku –, vyžaduje nějakou formu měření. 

Jak osvobodit svět

Díky Mezinárodní soustavě jednotek fyzikálních veličin, známé také jako SI, pracuje takřka celý svět se stejnými naměřenými hodnotami. Systém má kořeny v době osvícenství, konkrétně na konci 18. století, kdy pomohl ukončit spory ohledně délky britského furlongu či španělské vary. Vznikl mimo jiné proto, aby usnadnil život obchodníkům, kteří nakupovali v Nizozemsku a prodávali ve Francii. První zmíněná země totiž vážila zboží podle množství ryb, jež se vejde do nákladového prostoru lodi, zatímco druhá využívala pšenici. Motto zakladatelů SI zní „pro všechny a navždy“ a jde o jednu z Prattových nejoblíbenějších frází. „Je velmi optimistická,“ vysvětluje fyzik. „Oni zkrátka věřili, že pomocí vědy osvobodí svět a posunou jej kupředu.“

Když došlo v roce 1875 v rámci Metrické konvence ke schválení metrické soustavy, byly vyrobeny dva prototypy ze slitiny platiny a iridia: Z metrové tyče a kilogramového válce se pak staly základní opěrné body jednotek délky a hmotnosti. Mezinárodní úřad pro míry a váhy následně zhotovil kopie pro všechny signatáře.  

Chybějí mikrogramy

Postupem času si do metrické soustavy našla cestu řada dalších jednotek a definice mnohých se upravovaly tak, aby byly přesnější. Například metrovou tyč nahradila vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za 0,0000000033356 sekundy. Délka sekundy se pak spojila s radiačním cyklem cesia. Zmíněné hodnoty jsou udávány základními přírodními procesy, jež se nemění. Délka metru je tedy univerzální a nebude se lišit bez ohledu na to, zda se měří na Zemi, či na Marsu. 

Ovšem kilogramový prototyp zvaný „Le Grand K“ stvořila lidská ruka, tudíž trpí naší nedokonalostí. V praxi je takřka nedostupný – leží v sejfu, který lze otevřít pouze pomocí tří klíčů ve vlastnictví tří různých osob. Ochrannou schránku opustil za celou dobu své existence jen několikrát. Navíc je nekonzistentní: Když ho v 80. letech 20. století zvážili, měl o několik mikrogramů méně, což vyvolalo řadu vášnivých reakcí. Velkoobchodníci museli přenastavit váhy, výrobci zuřili a metrologové – lidé zabývající se měřeními – si vysloužili nálepku „neschopní“. 

Váhy jako žádné jiné

Aby se podobná situace neopakovala, rozhodl se Mezinárodní úřad pro míry a váhy v roce 2014 definovat kilogram znovu. Hodnota Planckovy konstanty však byla v té době nejistá a bez ní ke změně nemohlo dojít. 

Tehdy již uplynulo víc než sto let od doby, kdy německý fyzik Max Planck zjistil, že se energie šíří v kvantech. Ovšem jeho konstanta popisující velikost těchto kvant byla těžko vyčíslitelná. Existují pouze dva experimentální způsoby, jak jejich velikost určit, oba přitom spoléhají na vzácné a drahé prostředky. První technika spočívá v sečtení všech atomů v dokonalé silikonové kouli. Ve druhém případě měří tzv. wattové váhy hmotnost objektu na základě síly, kterou vyžaduje jeho zvednutí. 

Blížíme se ideálu

Dvojici britských vědců trvalo několik dekád, než dokázali wattové váhy zpřesnit tak, aby se daly spolehlivě používat. Na světě dnes existují pouze dvě dostatečně exaktní zařízení schopná měřit Planckovu konstantu – jedno v Kanadě a druhé v Prattově laboratoři v Národním institutu standardů a technologie. „Je to opravdu nádherný přístroj,“ prohlásil Pratt v podzemní místnosti obložené ocelí, kde se váhy nacházejí. „Často se na něj chodím jen tak dívat.“

Sestrojit rozměrné kovové zařízení trvalo pět let. Na otočném středu z karbidu wolframu je zavěšen tunový magnet a generuje potřebnou sílu. Během experimentů zůstává přístroj uzavřený ve vakuové komoře. Chce-li s ním někdo manipulovat, musí mít laboratorní plášť, speciální obuv a síťku na vlasy. Výsledky měření se dál upravují na základě teploty v místnosti a působení gravitace. „Z fyzikálního hlediska se tady snažíme dosáhnout dokonalosti,“ vysvětluje důvod popsaných opatření Pratt. „Všechno musí probíhat v podmínkách, které lze označit za ideální.“

Neuchopitelné číslo

V roce 2014 zazněl požadavek, že alespoň jeden instrument na světě musí změřit Planckovu konstantu s odchylkou pouhých 0,000002 % od hodnoty, která se považuje za správnou. A teprve 30. června 2017, den před uzávěrkou pro podání důkazů o úspěšnosti experimentu, zveřejnil Pratt se svým týmem výsledek, jenž se do stanoveného kritéria vešel. Podle jejich měření se Planckova konstanta rovná 6,626069934 × 10−34 kg·m²/s s odchylkou pouhých 0,0000013 %.

Zatímco pro běžného smrtelníka zůstává popsané číslo takřka neuchopitelné, pro Pratta a jeho spolupracovníky představuje okamžik, kdy dokázali pomyslně nahlédnout pod vesmírnou oponu a odhalit jedno z nejzákladnějších tajemství existence. Ve sklepě vládní agentury s podivným názvem se on a jeho spolupracovníci se síťkami na hlavách zvládli natolik přiblížit dokonalosti, jak je to jen dnes v lidských silách. Podnikli experiment, který změnil pohled na svět podle hesla „pro všechny a navždy“.  

Hledá se pravda

Pratt s kolegy však nebyl jediný, kdo se během uplynulé dekády pokoušel Planckovu konstantu změřit: Kanadští vědci určili její hodnotu dokonce s ještě menší odchylkou, zatímco týmy z Japonska a Německa dospěly k obdobnému výsledku pomocí sčítání atomů v silikonových koulích. Ne všem se ale zjištěné poznatky zamlouvaly a o změně definice kilogramu se vášnivě diskutovalo. 

Jon Pratt nicméně na letošní hlasování nečekal a nechal si naměřenou hodnotu vytetovat na předloktí spolu se sochou, která drží v jedné ruce metrovou tyč a ve druhé kilogramový válec. Nad výjevem má pak vyvedena slova „a tous les temps, a tous les peuples“, tedy „pro všechny a navždy“.