Klasická definice kilogramu už neplatí. Celý svět přešel na popis přes Planckovu konstantu

Základní jednotka hmotnosti se od 20. května neodvozuje od kovového prototypu uloženého v pařížském trezoru, ale od pevné hodnoty takzvané Planckovy konstanty.

Zdroj: ČTK/PA Autor: Tobias Hohenacker/CHROMORANGE

Nová definice kilogramu nebude mít na běžného člověka vliv, dopady bude mít jen ve vědeckých aplikacích a experimentech, uvedl ředitel Českého metrologického ústavu Pavel Klenovský. Základní jednotka hmotnosti byla doposud odvozena od prototypu v podobě válečku ze slitiny platiny a iridia uloženého v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy v Sévres na předměstí Paříže, nově bude vázána na základní přírodní konstantu, díky které bude velikost kilogramu stabilnější.

Mezinárodní úřad rozhodl o změně definice v loňském roce, platit začíná na Světový den metrologie. 

Kilogram byl poslední základní jednotkou SI, jejíž hodnota byla odvozena od pevného předmětu – například metr byl již dřívě nově určen na základě rychlosti světla ve vakuu. Kilogram teď bude zafixován na takzvané Planckově konstantě. Ta patří mezi základní konstanty v kvantové fyzice a vyjadřuje vztah mezi energií fotonu a frekvencí odpovídající jeho vlnové délce. „Jednotka bude odvozována z číselných hodnot konstanty, které mohou být postupně upravovány, jak budou přicházet data z nových experimentů,“ sdělil 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 se 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,“ vysvětluje Klenovský.

Také další jednotky, kterých se změna týká, tedy ampéru, kelvinu a molu, budou zafixovány na základních konstantách přírody.

Video Kilo
video

Změna definice kilogramu

Každý členský stát Mezinárodního úřadu pro míry a váhy má kopii prototypu, pravidelně je státy 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 kilogram 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.

Soustava SI, neboli Le Système International d'Unités, obsahuje také délku, čas a svítivost a jejich jednotky metr, sekundu a kandelu. Do budoucna úřad přemýšlí o změně definice sekundy.

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, 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 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 v podzemí Mezinárodního úřadu pro váhy a míry je umístěn 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 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 se tyto etalony 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.