Świt nowej ery

Od maja 2019 r. określanie masy kilograma nie bazuje już na międzynarodowym wzorcu kilograma (IPK) w Paryżu. Jest ona teraz definiowana za pomocą podstawowych stałych fizycznych. Firma METTLER TOLEDO odegrała decydującą rolę w tej historycznej zmianie.

Ile dokładnie waży kilogram? W układzie SI niedawno na nowo zdefiniowano podstawowe jednostki miary, które obecnie pochodzą z podstawowych stałych fizycznych. 

Punktem odniesienia dla masy jednego kilograma był dotychczas międzynarodowy wzorzec kilograma (IPK) w Paryżu. Jednak w ciągu wielu dziesięcioleci masa metalowego walca się zmieniła. Masa IPK i kilogramów krajowych na całym świecie uległa niekontrolowanemu odchyleniu. W metrologii taki stan był nie do zaakceptowania.

Przez wiele dziesięcioleci setki naukowców na całym świecie pracowało nad zmianą definicji kilograma. Od początku uczestniczyło w tym wielu pracowników METTLER TOLEDO. „To największa rewolucja, jakiej metrologia doświadczyła od ponad 200 lat” – powiedział Luis Cachon, Kierownik Działu Metrologii w MT.

Firma METTLER TOLEDO wniosła znaczący wkład w dwa rozwiązania, na których opiera się nowa definicja. Na przykład przez opracowanie M_one – komparatora masy przeznaczonego do wzorcowania masy z najwyższymi poziomami precyzji. Krajowe instytuty metrologiczne, takie jak renomowany Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech, używają go do wyznaczania masy nowych sferycznych obiektów referencyjnych z ultraczystego krzemu. Krzem monokrystaliczny ma tę zaletę, że jego struktura atomowa jest jednorodnie uporządkowana w całym krysztale. Pomiar objętości i powierzchni kuli krzemowej pozwala naukowcom określić, ile atomów zawiera. W związku z tym kilogram można zdefiniować za pomocą liczby atomów – i nie jest on już zależny od lokalnej masy wzorcowej. Instytuty metrologiczne na całym świecie, które dysponują tą technologią, mogą powielać ten proces. „Każdy, kto ma to urządzenie, może mniej więcej utworzyć własny kilogram” – potwierdza Javier Levitt z działu laboratoryjnego.

Innym sposobem definiowania kilograma jest użycie wagi Watta. W Szwajcarskim Federalnym Instytucie Metrologii (METAS) w Bernie fizycy używają wagi Watta do porównywania energii mechanicznej z elektryczną. Waga wykorzystuje siłę elektromagnetyczną do zawieszenia masy. Również w tym eksperymencie stosowane są cela pomiarowa METTLER TOLEDO oraz komparator masy M_one, niezbędny do przeniesienia kilograma.

Różne krajowe instytuty metrologiczne mogą wybierać pomiędzy tymi dwoma wariantami. „Ogólnie rzecz biorąc, prześledzenie wszystkiego w odniesieniu do stałych podstawowych natury gwarantuje, że jednostka kilograma staje się bardziej stabilna” – powiedział Luis Cachon. „Poprawa dokładności wyznaczania masy następuje w tym samym tempie, co postęp technologiczny”.

Jednak dla konsumentów nic się nie zmieni. Ta nowa definicja nie ma wpływu na codzienne życie poza instytutami metrologicznymi. Ale co stanie się z międzynarodowym wzorcem kilograma po 20 maja? Zgodnie z planem pozostanie tam, gdzie jest obecnie przechowywany – w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag (BIPM). Co jakiś czas będzie mierzona stabilność jego masy.