Átírják a kilogramm meghatározását

130 évesen végre nyugdíjba mehet az ügyeletes etalonkilogramm. Mivel a tömeg és az elektromágneses erőtér között közvetlen összefüggés van, a jövőben a kilogrammot a Planck-állandó alapján számolnák. A változást egy éppen most zajló szakkonferencián szavazzák meg a téma 57 országból érkező szakértői. Ezzel a kilogramm meghatározása is (az SI-mértékegységek közül utolsóként) a természetben fellelhető fizikai állandókon, és nem egy kézzel fogható tárgyon alapulna. 

A tömegmeghatározás alapmértékegysége, a kilogramm standardja pillanatnyilag egy platina-irídium henger, amely 1889-ben állt szolgálatba. Azóta őrzik igen szigorú laboratóriumi körülmények között Párizs egyik külvárosában, Sevres-ben. Ehhez a fémhengerhez, vagyis az ennek mintájára készült, épp csak egy hajszálnyival kevésbé elzárt testvérsúlyokhoz kalibrálnak 130 éve mindent, a gyakorlati használatban lévő súlymértékektől az élelmiszeripari gyártósorok mérlegjein vagy a sportoláshoz használt súlyokon keresztül egészen a nemzeti kincstárakban őrzött nemesfém rudak súlyáig.

Már nem egykilós az etalon

Az etalonsúly megalkotása már a kezdet kezdetén is nagy fejtörést okozott. 1799-ben végül egy köbdeciméter tiszta, 4 Celsius-fokos víz (ezen a hőmérsékleten maximális a víz sűrűsége) tömegében határozták meg egy kilogramm pontos megfelelőjét. A ma is használt, a korábbi „vízmértékhez” kalibrált szilárd mércét 90 évvel később alkották meg, először színtiszta platinából. A végső változathoz azért adtak irrídiumot is, mert az ötvözéssel úgy tudták jelentősen növelni a keménységet, hogy közben az anyag nem veszítette el az oxidációval szembeni védettségét, kivételesen nagy sűrűségét, vagy a mágneses térrel szembeni érzéketlenségét. 

Csakhogy a hét lakat alatt elzárt etalonkiló (Le Grand K) ma már minden óvatoskodás ellenére sem pontosan egy kilogrammot nyom. A hengerre a szigorú tárolási szabályok ellenére is rakódott némi szennyeződés, ami néhány mikrogrammal megdobta a tömegét. Még ha ez nem is tűnik soknak, mondjuk cukorból, gyémántból, plutóniumból vagy éppen platinából néhány mikrogrammnyi eltérésnek is van jelentősége. 

Tovább súlyosbítja a helyzetet, hogy az eredeti etalonkilóról készült másolatokból is van néhány olyan testvérmásolat, amelyet hasonlóan szigorú körülmények között tárolnak. Ha netán sikeresebben, mint a párizsi verziót, még az is előfordulhat, hogy a replikák valamelyike közelebb áll az igazi egy kilogrammhoz, mint a párizsi őskiló. 

Az eredeti kilogrammstandard másolatai: még a replikákat is dupla vákuumban őrzik.Fotó: National Institute of Standards/Mass Standards Photographic Collection

A többi etalont már rég a természet állandóihoz mérik

Épp az efféle malőrök elkerülése miatt kalibrálják a kilogrammon kívül az SI-mértékegységek mindegyikét fizikai állandókhoz. A természet egy-egy állandósága jelzi mennyi egy méter, egy másodperc, egy Kelvin, egy amper, egy – a fény erősségét jelző – kandela, vagy egy egységnyi anyag, azaz mól.  

 A hosszúság alapmércéje, egy méter például annak az útnak a hossza, amelyet a fény vákuumban a másodperc mintegy 300 milliomod (egészen pontosan 299 792 458-ad) része alatt megtesz. A szóban forgó másodpercet pedig az alapállapotú, vagyis a természetben stabil állapotban is megtalálható cézium-133 izotóp két energiaszintje közötti kvantumátmenet időtartamához igazították.

Elsőként a korábban az Északi-sark és az Egyenlítő közti távolsághoz, majd az Egyenlítő hosszához mért métert igazították egy természeti állandóhoz. 1960-ban a látható fény hullámhossza alapján kezdték meghatározni. Az 1980-as évek elején tértek át a fény által megtett út hosszúsága alapján történő számolásra. 

Végül sorra lecserélték a kilogrammon kívül a további hat, az összes többi mértékegység levezetésére szolgáló alapmértékegység mércéjét. Ezzel a tömeg alapmértékegységének napjai is meg lettek számlálva. Egészen addig, amíg a kilogrammot egy tárgyhoz mérjük, mondta a Verge-nek Stephan Schlamminger amerikai fizikus, nem sikerült a tömegmérést időtállóvá tenni. Nincs ugyanis olyan emberi kéz alkotta tárgy, amely ne változna, de a Planck-állandó, legalábbis a mai ismereteink szerint, örök.

Kapcsolódó cikk a Qubiten: