Nejkulatější objekt na světě = 1 kilogram
Můžu si to podržet? Jenom pokud slíbíte, že budete velmi opatrný. Slibuji, že budu neskutečně opatrný. Opravdu neskutečně opatrný. Slibuji. Pozor, je to kluzké. Jsme připraveni? Chystám se zvednout 1kg kouli čistého křemíku 28. Je v ní asi 2,15×10^25 atomů.
Na dotek je to opravdu úžasné. Je to neuvěřitelné. Kromě tvůrců jsem jediný z hrstky lidí, kteří kdy tuto kouli drželi v ruce. Materiál, ze kterého byla vyrobena stál 1 milion Eur, ale nyní byl tak přesně vyleštěn – Kolik to vlastně stojí? Je k nezaplacení. Právě se totiž díváš na nejkulatější objekt na Zemi. Jak si můžete být tak jistí, že je nejkulatější? Země je přece taky dost kulatá. Kdyby toto byla Země… Kdyby toto byla Země, tak mezi nejvyšší horou a nejnižším údolím by byl asi 14 metrů výškového rozdílu.
Neuvěřitelný. Úžasně kulatý. Ale proč vlastně investovat milion eur a spoustu hodin práce do leštění křemíkové koule? Odpověď na tuto otázku není těžká. Původně zněla 'grave' z francouzštiny. 'Grave' byla původní jednotka hmotnosti metrického systému ze kterého vznikl Systeme International d'unites (soustava SI). V r. 1793 určila komise v čele s vědcem a šlechticem Antoine Lavoisierem za základní jednotku hmotnosti dm krychlový vody o teplotě tání ledu. V podstatě litr studené vody.
Jméno 'grave' vzniklo z latinského 'gravitas', což znamená hmotnost. Ale ne na dlouho. Znělo to příliš podobně jako šlechtický titul 'graf'. což je totéž co hrabě. A protože právě probíhající Francouzská revoluce prosazovala rovnost pro všechny, nemohla být jedna jednotka vznešenější. Antoine Lavoisier kvůli tomu ztratil hlavu. Doslova. Ne proto, že pomáhal vytvořit jeden z nejlepších systémů měření, ale protože vybíral daně jako šlechtic. Měl to opravdu těžké. Nová republikánská vláda si myslela, že grave by byl pro jejich účely příliš velký.
A tak se rozhodli vytvořit gram – pouhou tisícinu gravu Brzy si však uvědomili, že gram bude příliš malý a tak se vrátili ke gravu ale protože mu tak nechtěli říkat, vznikl kilogram – 1000 gramů. A proto je kilogram jedinou základní jednotkou s předponou v názvu. V r. 1799 byl kilogram předefinován jako hmotnost litru vody o 4°C To je voda nejhustší. Ale voda očividně není nejcitlivější látka pro určení standardu hmotnosti. Tak byl vytvořen platinový válec tak, aby měl stejnou hmotnost jako litr vody a byl prohlášen za prototyp kilogramu.
Je důležité si uvědomit, že tímto už kilogram není svázán s objemem vody. Prototyp kilogramu je, dle definice TEN kilogram. O 90 let později, r. 1889, platina byla nahrazena slitinou platiny a iridia. Je o mnoho tvrdší než originál, ale jinak prakticky stejný. A do dnešního dne zůstává prototypem kilogramu. Oficiálně je nazýván Mezinárodní prototyp kilogramu, jinak také Le Grand K, nebo Velké K A je asi takhle velký. Je to jediná věc v celém vesmíru s hmotností přesně 1 kilogram, protože toto JE kilogram.
Leží pod třemi vývěvami, vedle dalších šesti stejných kilogramů, v klimatizovaném trezoru uzamčeného třemi nezávislými zámky, v podzemí Mezinárodního úřadu pro váhy a míry na předměstí Paříže. Pokud byste byli schopni vloupat se tam a manipulovat s Velkým K, měnili byste definici kilogramu, na níž závisí mnoho dalších měření a uvrhli byste svět do chaosu! Dobře, ne tak úplně, ale jak by kdo poznal kdyby se hmotnost Velkého K změnila? Když byl prototyp poprvé vytvořen, bylo vyrobeno také 40 identických kopií.
Tedy téměř identických. Ale všechny odchylky v hmotnosti byly zaznamenány. Tyto repliky byly rozeslány do různých zemí světa jako národní standardy. V r. 1948 byly kilogramy znovu shromážděny pro přeměření. A tady začaly problémy. Protože i když byly všechny válce vyrobeny ze stejné slitiny a uloženy ve stejných podmínkách, jejich hmotnost se změnila. Hmotnost Velkého K nebyla ani stejná jako hmotnost šesti skladovaných ve stejné místnosti.A aby to nebylo málo, o 40 let později se jejich hmotnost změnila ještě více – až o 50 mikrogramů – – což je asi hmotnost otisku prstu.
Ale otisky prstů nehrály roli, protože před vážením byly všechny kilogramy pečlivě omyty. Čili hmotnost válců se musela vlivem nějakého procesu změnit. Stále se však spekuluje o tom, jak přesně k tomu došlo. Jisté je jen jedno, hmotnost této slitiny se během času mění. A to je problém. Nemůžete mít jednotku, jejíž hodnota se neustále mění. A problém není jen s hmotností protože ze sedmi základních jednotek SI čtyři závisí na hodnotě kilogramu. A to se ani nebavíme o dalších jako Newton, Joule, Volt nebo Watt.
Pro ty z vás, kteří žijí v zemích, které zatím nepřijaly metrický systém – – ano, mluvím o Libérii, Barmě a USA – můžete se cítit chytře, že vaše jednotka hmotnosti avoirdupoiská libra už není definována fyzickým objektem. Místo toho je definovaná jako přesně 0.45359237 kilogramu. A máte to. Je tedy nutné něco udělat, abychom omezili závislost kilogramu na fyzickém objektu. A tady na scénu vstupuje naše křemíková koule. Ale jak přesně nám to pomůže? Tady leží fyzický objekt, je moc hezký, ale pořad je to fyzický objekt.
Toho se přece chcete zbavit. Snažíme se zbavit fyzického objektu, ale v tomto případě počítáme, kolik je tam atomů. Nemůžete přece spočítat všechny atomy? Nemůžeme je spočíst, ale můžeme vypočítat kolik jich tam je, protože tohle je křemík bez žádných mezer nebo prasklin. Dokonalý krystal čistého křemíku. Nejen, že je to čistý křemík, je tam navíc pouze jediný izotop – křemík 28, proto byl původní materiál tak drahý. A proč zrovna koule? Koule je velmi jednoduchý objekt.
Pokud známe její průměr, známe všechny její rozměry. To vysvětluje, proč je tato koule ze všech nejkulatější, ale jak jde něco tak kulatého vůbec vytvořit? Na začátku byla o trochu větší koule. Okolo dvou milimetrů větší průměr. My jsme ji jen dlouho a pečlivě brousili. Takto jsme hladili jednotlivé atomy. Snažíme se tvarovat objekt na úrovni jednotlivých atomů. Ale vytvořit kouli je jen polovina cesty. Pak musíte ještě změřit průměr. Ten měříme pomocí laseru Tak, že kouli umístíme do středu mezi dva lasery a z obou stran měříme mezeru.
Pokud znáte průměr, můžete vypočíst také objem. A protože mezeru mezi atomy v krystalu křemíku známe velmi přesně, můžete vypočítat, kolik atomů je uvnitř. To nám umožňuje redefinovat Avogadrovu konstantu. V současnosti je Avogadrova konstanta definována pomocí kilogramu. Je rovna počtu atomů ve 12 gramech uhlíku 12. Ale s novým přístupem, počet křemíkových atomů v kouli by pomohl opravit Avogadrovu konstantu a ta by pak definovala kilogram. Takže i kdyby byly všechny křemíkové koule poškozeny, na definici kilogramu by to nemělo vliv, neboť kilogram už by nebyl definován fyzickým objektem, nýbrž konceptem.
Rádi byste viděli oficiální definici kilogramu jako "1 kilogram je hmotnost… … 2,15x10^25 atomů křemíku 28."? Ano. A jaká je šance, že se to stane? Je tu celkem vysoká pravděpodobnost, že se to povede. Ale je ještě jeden jiný přístup k redefinici kilogramu, pomocí zpřesnění Planckovy konstanty a využití principu Wattových vah. Oba přístupy se doplňují a vzájemně kontrolují. Pokud se budou shodovat s odchylkami pod 20 mikrogramů mohl by být kilogram předefinován začátkem r. 2014 Pak by byl konečně i kilogram neměnnou jednotkou, nedefinovanou pomocí kovového válce v podzemním trezoru nějakého domu kdesi v Paříži.
Kilogram byl původně zamýšlen jako hmotnost jednoho litru vody o teplotě, kdy je nejhustší. Jak je to teď? Pokud vezmete litr vody o necelých 4°C, tak bude mít hmotnost 999,975 gramů. Můžete se na to dívat dvěma způsoby. Buď je kilogram o trochu těžší, než by měl být, nebo můžete říct, že 214 let nazpět byli vědci schopní vytvořit artefakt, který měl odchylku menší, než zrnko rýže.
To je vskutku pozoruhodné. Pokud chcete vědět víc o Wattových vahách, napište to do komentářů a já uvidím, co bude v mých silách. Zatím to vypadá, že vyhrávají soutěž o předefinování kilogramu, takže nám nezbyde než počkat si, co se stane. Poslední věc, kterou chci zmínit; K vytvoření této křemíkové koule museli spolupracovat vědci z celého světa. Ale nemyslíte že ted, kdo objevil křemík, by si také zasloužil nějaké uznání? Nebyl to nikdo jiný, než Antoine Lavoisier. Takže se na definici kilogramu podílel od začátku do konce, od kolébky po hrob.
