Kilogram se scvrkl. Vědci teď změnili jeho definici

Delegáti na konferenci Mezinárodního úřadu pro míry a váhy (BIPM) ve francouzském městě Versailles v pátek schválili novou definici kilogramu. Základní jednotka hmotnosti se už neodvozuje od kovového prototypu uloženého v pařížském trezoru, ale od pevné hodnoty Planckovy konstanty.

Video Události
video

Události: Vědci změnili definici jednoho kilogramu

Až doposud se kilogram odvozoval od skutečného, fyzického válce ze slitiny platiny a iridia. Nicméně dlouhodobá měření ukázala, že se za více než sto let hmotnost prototypu zmenšila o přibližně 50 mikrogramů, což odpovídá přibližně jednomu zrnku písku. Přitom jednoznačná definice kilogramu je důležitá, protože se od ní odvozuje řada dalších fyzikálních jednotek.

Vědci proto připravili novou definici na základě pevné hodnoty tazvané Planckovy konstanty. Ta patří mezi základní konstanty v kvantové fyzice a vyjadřuje vztah mezi energií fotonu a frekvencí odpovídající jeho vlnové délce.

Mezinárodní úřad pro míry a váhy byl založen v roce 1875 a je strážcem sedmi hlavních jednotek, které lidstvo používá pro měření svého světa. Kilogram byl poslední z nich, který byl stále definován podle nějakého hmotného předmětu. Například metr už nestanovuje tyč ze slitiny platiny a iridia – základní jednotka délky byla definována na základě rychlosti světla ve vakuu.

Uzavřela se tím vlastně jedna z etap měření. Zpočátku lidé měřili podle různých částí těla. Po Francouzské revoluci se na asi sto padesát let měřilo podle výše popsaných hmatatelných měřidel, takzvaných etalonů. Teď už budou všechny základní jednotky popsány pouze čistě fyzikálně.

Pro běžné smrtelníky se však nic nezmění, ujišťovali už předem vědci. „Změny nebudou v každodenním životě viditelné,“ uvedl mluvčí Spolkového fyzikálně-technického ústavu v Braunschweigu Jens Simon. Agentuře DPA řekl, že aktuálním krokem se „odstraní nedostatky stávajícího systému a vytvoří se univerzální jazyk pro vysoce technizovaný svět“.

Jednoznačná definice kilogramu je důležitá i proto, že se od něj odvozuje řada dalších fyzikálních jednotek. Podle agentury AP také národním metrickým ústavům odpadne jedna starost: až doposud musely příležitostně své etalony posílat do sídla BIPM v Sèvres ke kalibraci s původním válcem, označovaným jako „Velký K“.

Nové definice se nyní dočkal i kelvin (jednotka termodynamické teploty), ampér (jednotka elektrického proudu) a mol (jednotka látkového množství). Hlasování, při kterém delegáti jeden po druhém říkali, zda se změnami souhlasí, skončilo jednomyslně ve prospěch novinek. Jeho výsledek zástupci více než 50 zemí světa přijali s dlouho trvajícím potleskem a výkřiky radosti, napsala agentura AP. Nové definice základních jednotek vstoupí v platnost příští rok 20. května, na Světový den metrologie.

Dějiny kilogramu

Kilogram je jednotkou hmotnosti, má značku kg. Odpovídá přibližně hmotnosti jednoho litru vody. Právě hmotnost litru vody se ujala jako měrná jednotka už v průběhu 18. století, proto se z ní stala během Francouzské revoluce jednotka, která se měla stát univerzální. Vzešel z ní také prototyp etalonu – tedy vzoru, kterého se pak držela většina světa.

V průběhu dějin existovaly stovky nejrůznějších jednotek, které se od sebe značně lišily. Lidem to ale dlouho dobu příliš nevadilo, protože se tyto jednotky odvozovaly nejčastěji od částí těla. Například loket byl používán už od starověku v nejrůznějších částech světa – ale jeho délka se značně lišila; od čtyřiceti centimetrů až po více než metr. Aby si byli lidé na trzích, kde se zboží měřené na lokte prodávalo, jistí, že je všem měřeno stejně, byl ve městech vyvěšený vzor (tedy etalon) lokte. Na mnoha místech se zachoval, v Praze například visí na zdi věže Novoměstské radnice a na vratech Hradčanské radnice.

U jednotek hmotnosti to bylo složitější, jen máloco se ve středověku kupovalo „na váhu“ – hmotnost čehokoliv se dala dobře odhadnout buď podle velikosti (velká slepice) nebo podle objemu, který daná hmota má (například sud piva). Potřeba něco přesněji vážit se objevila až později, zejména při obchodování se vzácnými kovy.

Obecně se potřeba přesně definovat základní míry a váhy začala objevovat v době, kdy se začal zvedat objem obchodovaného zboží. Když si armády šlechticů objednávaly sukno na stovky uniforem, nebo se stavěly rozsáhlé linie opevnění, začalo už záležet na všech drobných rozdílech ve velikostech. A proto francouzský král Ludvík XVI. pověřil nejlepší vědce své doby, aby stanovili jednotky v desítkové soustavě (francouzština dodnes částečně pracuje i se soustavou dvacítkovou).

Triumf Francouzské revoluce

Na tuto práci navázali po Velké francouzské revoluci vůdci nového státu, kteří se chtěli ve všem odříznout od starých pořádků. Kromě nového kalendáře nebo nového občanského náboženství se centralizovaná republika pokusila úspěšně zavést také nové jednotky.

V roce 1790 proto Ústavodárné shromáždění pověřilo vědeckou komisi ve stanovení soustavy jednotek. Roku 1795 byl tedy zaveden gram jako absolutní jednotka hmotnosti – název pocházel z latinského slova „grámma“, které naznačovalo malé množství.

Napoleon Bonaparte sice stav zvrátil zpět před změnu, ale už roku 1840 se zase do oběhu vrátily moderní jednotky. Francie byla v té době ekonomicky, kulturně i politicky nejvlivnější zemí kontinentální Evropy, takže se jí podařilo tyto jednotky prosazovat i do zahraničí.
Výsledkem těchto snah byla slavná Metrická konvence podepsaná 20. května 1875; jejím prostřednictvím se v sedmnácti zemích, které ji signovaly, zavedla metrická soustava.

Už zanedlouho se ale ukázalo, že tak malá jednotka je v reálném životě nepříliš praktická, více se používalo tisíc gramů – tedy kilogram. Ten se také stal základní jednotkou, a to přesto, že jde vlastně původně o jednotku odvozenou.

Kilogram je mrtev, ať žije kilogram

Dosavadní prototyp kilogramu leží v podzemí Mezinárodního úřadu pro váhy a míry na předměstí Paříže. Kilogram je pod třemi vývěvami v klimatizovaném trezoru uzamčeném třemi nezávislými zámky. Společně se šesti kopiemi. Ani ty nejpřísnější podmínky ale nezabránily tomu, aby kilogram nezačal hubnout.

Z doposud nejasných příčin za posledních sto let tento etalon ztratil asi 50 mikrogramů. Protože byl kilogram definován jako aktuální hmotnost prototypu, změnila se tak vlastně i definovaná velikost kilogramu.

Vědci navíc už delší dobu namítali, že etalony se mohou teoreticky ztratit, nebo mohou být dokonce zničené, proto by měla být mnohem elegantnější definice, založená na něčem neměnném a zcela univerzálním.

Najít ji ale nebylo vůbec snadné. U všech ostatních jednotek SI se fyzikům podařilo problém se stanovením etalonu vyřešit tak, že jednotky navázali na základní přírodní konstanty. Jednotka hmotnosti zůstala tou poslední, která vědcům chyběla.

Stejně jako se metr nově odvozuje od rychlosti světla, a ne lidského výrobku, bude se kilo vypočítávat z hodnot, které jsou ve vesmíru stálé. Váhy totiž mohou v různých prostředích ukazovat různé hodnoty, například kvůli měnící se gravitaci.

Proč v USA a Británii neváží na kila?

Situace v obou zemích je značně odlišná. Ve Velké Británii byla metrická soustava zavedena zákonem z roku 1965 a reálně platí od roku 1995. Některé „staré“ jednotky se tam užívají vlastně již jen ze zvyku a vedle jednotek metrických. V USA je vlastně přesně opačná situace; alternativní používání metrického systému je tam sice úředně povoleno, reálně je ale omezeno především na vědeckou literaturu. 

Příčina byla velmi podobná: byly natolik průmyslové, že se pro ně ukázalo být moc složité, aby se všechny standardy a normy měnily z jednoho systému na druhý. Británii v tom pomohla elektronizace na konci dvacátého století, Spojené státy jsou dodnes natolik velkou ekonomikou, že si mohou stále dovolit být výjimkou.