Kilogram, amper i mol. Naukowcy przyjęli nowe definicje miar
Obradująca w Paryżu Generalna Konferencja Miar i Wag (CGPM) podjęła decyzję o zmianie definicji jednostek miar, w tym uniezależnieniu niektórych z nich od fizycznych obiektów i związaniu z fundamentalnymi, niezmiennymi stałymi fizycznymi, obowiązującymi w całym wszechświecie.
Głosowano w sprawie czterech jednostek Międzynarodowego Układu Miar SI. Już wcześniej nowych definicji doczekały się jednostki czasu i długości: sekunda i metr. Teraz dołączyły do nich jednostki masy: kilogram, natężenia prądu stałego: amper, temperatury: stopień Kelvina i ilości materii: mol. Zmiany wejdą w życie od 20 maja przyszłego roku. Będą przełomowe dla naukowców i... zupełnie niezauważalne dla zwykłych śmiertelników. Może tylko w szkole trochę trudniej będzie uczniom te jednostki wytłumaczyć. Najbardziej spektakularne jest uniezależnienie się od przechowywanego w Sevres pod Paryżem odważnika, o którym wszyscy mieliśmy okazję słyszeć.
Konferencja podjęła decyzję po wielu latach dyskusji, tłumaczy ją potrzebą niezależnego i precyzyjnego wyznaczania jednostek miar w oparciu o eksperymenty możliwe do przeprowadzenia w dowolnym miejscu świata, a nawet w przestrzeni kosmicznej. Podkreśla, że taki system miar ma kluczowe znaczenie dla wymiany handlowej, nowoczesnych technologii, opieki zdrowotnej, wreszcie ochrony środowiska. Nowe definicje jednostek miar będą miały kluczowe znaczenie dla uniwersalnej wartości badań naukowych, będą stałe i zależne jedynie od zjawisk fizycznych opisanych na najwyższym, obecnie możliwym poziomie wiedzy naukowej.
Zgodnie z tymi zasadami definiowano do tej pory sekundę i metr. Jednostka czasu była określona wcześniej w odniesieniu do roku, potem doby, w 1967 roku zmieniono te definicję do postaci, obowiązującej do tej pory. Sekundę zdefiniowano jako czas równy 9192631770 okresom drgań promieniowania przy przejściu między dwoma poziomami struktury nadsubtelnej stanu podstawowego atomu cezu 133Cs. W roku 1997 doprecyzowano, że definicja dotyczy atomu w temperaturze 0 K.
Metr definiowany był początkowo jako ułamek długości południka, na którym leży Paryż, mierzonej od równika do bieguna. Potem definiowano metr, jako odległość dwóch kresek na przechowywanym w Sevres wzorcu, wykonanym zgodnie z pierwszą definicją. Od 1960 roku metr był wielokrotnością długości fali promieniowania, przy przejściu elektronu między dwoma konkretnymi poziomami energetycznymi dla atomu kryptonu 86Kr w próżni. Kolejną definicję wprowadzono w 1983 roku, opierając ją na stałej w próżni prędkości światła. Zgodnie z nią metr to odległość przebywana przez światło w próżni w ciągu 1/299792458 sekundy.
Największe zniecierpliwienie wśród naukowców i inżynierów budził dotychczasowy wzorzec kilograma, platynowo-irydowy odważnik przechowywany od XIX wieku w Sevres. Konieczność porównywania innych wzorców z wzorcami zbudowanymi na podstawie tego jednego wzorca była i jest wyjątkowo uciążliwa. Dodatkowo, zarówno sam odważnik z Sevres, jak i jego kopie, mimo przechowywania w ściśle kontrolowanych warunkach, mogą swoją masę zmieniać. Każdy pył, każdy odcisk palca mógł ten wzorzec zmienić, sprawić, że byłby cięższy. Ponieważ jednak odważnik pozostałby wciąż wzorcem kilograma, to my wszyscy stalibyśmy się pozornie lżejsi. To znaczy nasza masa w kilogramach byłaby wyrażana nieco mniejszą liczbą. Od dziś, a dokładnie od 20 maja przyszłego roku, to się wreszcie skończy.
Międzynarodowy Komitet Miar i Wag już kilka lat temu przygotował propozycję zmian, dotyczących nie tylko kilograma, ale i innych jednostek, ampera, kelvina i mola. Po latach analiz, sprawdzania, czy rzeczywiście definicje te umożliwiają pomiary z odpowiednią dokładnością, dziś zostały one oficjalnie zaakceptowane. Kilogram będzie teraz definiowany z pomocą wzoru zawierającego stałe fizyczne, stałą Plancka, prędkość światła w próżni, wreszcie częstotliwość promieniowania cezu 133Cs. Każda z tych stałych została wyznaczona z odpowiednią dokładnością.
Amper, jednostka natężenia prądu, którą definiowano jako natężenie wywołujące odpowiednią siłę oddziaływania dwóch równoległych przewodów z prądem, teraz powiązano z wartością ładunku elementarnego i sekundy. Kelvin, jednostka temperatury określana do tej pory jako ułamek temperatury punktu potrójnego wody, będzie określona wzorem, w którym występują stała Plancka, stała Bolzmanna i częstotliwość promieniowania cezu 133Cs. Wreszcie mol, przestanie być już określany jako liczba atomów w kawałku odpowiedniego izotopu węgla, zostanie powiązany ze znaną nam ze szkoły stałą Avogadro. Wartości jednostek się nie zmienią, nasza waga wyrażona w kilogramach się nie zmieni, ale dla naukowców, inżynierów, technologów życie stanie się dużo prostsze.
(j.)
Grzegorz Jasiński
