32. Kilogram
Kilogram je jednotkou hmotnosti v mezinárodní soustavě měr a vah od roku 1795. Tehdy byl jeden gram definován jako hmotnost jednoho krychlového centimetru vody za teploty tajícího ledu. O pouhý rok později bylo vyrobeno několik provizorních kilogramů z čisté platiny. Tisíckrát větší hmotnost, než měl předchozí gram, lépe vyhovovala potřebám průmyslu a obchodu. V roce 1799 byl za jednotku hmotnosti přijat jeden z provizorních kilogramů. Dostal název archivní kilogram. Měl tvar válečku o délce i průměru přibližně 4 cm. Tento váleček se stal etalonem hmotnosti na dlouhých 90 roků.
V roce 1889 byla uspořádána První všeobecná konference o mírách a vahách, na které byl starý platinový prototyp nahrazen novým. Nový etalon obsahoval 90 % platiny a 10 % iridia. Z 80 odlitých kusů byl vybrán ten, který se hmotností nejlépe blížil předchozímu platinovému kilogramu, a byl nazván Mezinárodním prototypem kilogramu. Kromě Mezinárodního prototypu kilogramu se uchovává pro porovnání i jeho 6 sesterských kopií a další kopie tvoří národní standardy. Ty se porovnávají s Mezinárodním prototypem přibližně každých 50 roků.
Mezinárodní prototyp kilogramu je uložen i se sesterskými kopiemi v trezoru v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy ve Francii, v Sèvres u Paříže. O něm dle definice platí, že představuje hmotnost jednoho kilogramu. Je to vlastně jediný objekt na Zemi, o němž víme jeho hmotnost naprosto přesně. Měření hmotnosti prototypu je samozřejmě ovlivněno přesností metod jeho vážení. Samotná hmotnost prototypu se může časem měnit. Způsobuje to vnější prostředí, které má vliv na oxidaci povrchu a způsobuje difúzi plynů přímo dovnitř kovu. Před vážením se prototyp předepsaným způsobem čistí. Tím se ale všechny systematické chyby eliminovat nemohou. Ideální by proto bylo uchovávat prototyp ve vakuu bez dotyku podložky, uchycený v nějakém magnetickém závěsu. Takové možnosti však v době přijetí prototypu za standard hmotnosti před více než 100 lety nebyly.
Dnes je kilogram posledním uchovávaným etalonem, všechny ostatní jednotky
byly definovány pomocí přírodních zákonů. Například metr je dnes definován
za pomoci rychlosti světla ve vakuu a jeho etalon už není potřeba.
Při
porovnávacích měřeních se v roce 1992 zjistilo, že Mezinárodní prototyp
kilogramu ztratil během padesátiletého období hmotnost přibližně 50 μg.
Ztráta hmotnosti zhruba odpovídá hmotnosti otisku prstu. Možná si řeknete,
že to nic není, ale i tato nepatrná změna hmotnosti etalonu znamená, že se
za oněch 50 roků snížila hmotnost Země o 300 trilionů tun. Při přesnosti
současných měření jde o neudržitelný stav a poslední existující etalon je
nutné nahradit jinou definicí.
Možností je celá řada, ale k těm nejvýznamnějším patří tři. První z nich navrhnuli Ronald Fox a Theodor Hill v roce 2007. Kilogram by mohl být definován jako hmotnost určitého počtu atomů uhlíku 12C. Je to vlastně matematická definice a v porovnání s ostatními je nejjednodušší.
Další možnost je definovat kilogram jako přesně danou kouli z čistého monokrystalického křemíku. Taková koule se nazývá Avogadrova koule. Nešlo by o další prototyp kilogramu, ale o návod, jak lze takový kilogram kdykoliv vyrobit znovu. V budoucnosti by lidé dokázali vyrobit čistší křemík a tím by se mohla přesnost určení kilogramu zlepšovat.
Poslední možností, o které se zmíníme, jsou tzv. výkonové váhy. Tíže váženého tělesa je kompenzována magnetickým polem supravodivých cívek. Ve vztazích pro rovnováhu se objevuje Planckova konstanta, pomocí níž by mohl být nový kilogram definován.
Ať bude změněna současná definice kilogramu jakkoli, bude nová definice v každém případě znamenat konec fanatického uchovávání jediného prototypu kilogramu a jeho pracné čištění, které „mění“ hmotnost mezinárodního prototypu přímo před očima. Namísto toho by standard kilogramu mohl mít jen přibližnou hmotnost a jeho skutečnou hmotnost bude možné kdykoli přesně definovaným způsobem dopočítat. Pro konstrukci standardů přichází v úvahu i řada nových slitin, například slitina osmia s iridiem, která na rozdíl od platiny neabsorbuje tolik vodík, uhlovodíky a rtuť. Nové standardy by bylo možné pokrýt i keramickým povrchem. Podstatné je, že definice kilogramu bude nezávislá na standardu a kdykoli bude možné vyrobit nový standard kilogramu a zjistit jeho skutečnou hmotnost, což u mezinárodního prototypu není možné, neboť jen on jediný na celém světě má dle současné definice hmotnost právě jeden kilogram.