A kilogramm halott – Sokáig éljen a kilogramm!

2019. május 20-tól már nem egy francia hivatalban őrzött fémdarab fogja definiálni a kilogramm nagyságát, hanem a többi SI-mértékegységhez hasonlóan azt egy alapvető fizikai állandóból vezetik le.

A kilogramm halott – Sokáig éljen a kilogramm!

2018. november 16-án pénteken 1875 óta a legjelentősebb változtatást szavazták meg az országok képviselői a Mértékegységek Nemzetközi Rendszerével, azaz az SI-vel kapcsolatban. A Versailles-ban tartott Általános Súly- és Mértékügyi Konferencián új definíciót bevezetése mellett döntöttek a kilogramm esetében, ami miatt, mivel az alapegységek maguk is összefüggésben állnak egymással, három másik egység, az amper, a kelvin és a mól definíciója is módosul. A 60 kormányküldött egyhangúlag hagyta jóvá a javaslatot, majd pezsgővel ünnepelték a méréstan történelmi jelentőségű eseményét, amelynek értelmében a kilogramm értékét a jövő év májustól úgy kapjuk meg, ha a Planck-állandót elosztjuk 6,62607015×10−34-nel.

Méréstani forradalom

A döntéssel, amely több évtizedes előkészítő munka eredménye, a jövő évtől a mérési alapegységek mindegyike elszakad a fizikai tárgyaktól és önkényesen meghatározott értékektől, és ettől kezdve olyan fizikai állandók révén kerül meghatározásra, amelyeket kísérletekből vezettek le. Ez azt jelenti, hogy a módosítások életbe lépésével az alapegységek a világon bárhol meghatározva egyformák és megváltoztathatatlanul stabilak lesznek. Mindez egyben azzal is jár, hogy az a tenyérnyi fémhenger, amely alapján 1889 óta meghatározzák a kilogramm nagyságát, elveszíti különleges szerepét a méréstanban.

5000 éve, az ókori mezopotámiaiak óta bármi tömegének a megmérése minden egyes alkalommal gyakorlatilag úgy zajlott, hogy a mérendő tárgy tömegét a helyi sztenderd tömegegységgel vetették össze

– mondja Terry Quinn, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal korábbi igazgatója. „Jövő év májusától viszont ez megváltozik, ami egészen lenyűgöző dolog.”

Ahhoz hogy bármilyen mérés az egész világon értelmezhető és konzisztens legyen, egyetemes referenciákra kell alapozni az egységeket. Így kerül egyforma mennyiségű hatóanyag a különböző helyeken gyártott gyógyszerekbe, és így lehet a tudni, hogy a Föld adott pontján éppen mennyi az idő. A tömeg esetében ez mostanáig azt jelentette, hogy mindent egy fizikai etalonhoz, a sèvres-i Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatalban őrzött, 39 milliméter magasságú és átmérőjű, platina-irídium ötvözetből készült hengerhez képest definiáltak.

Galéria megnyitása

A megegyezés értelmében immár 130 éve ezen fémhenger tömegét tekintjük egy kilogrammnak, és minden tömeget mérő berendezést ehhez kalibrálunk a világon. Az elsőrendű etalonon túl jelenleg hat hivatalos másolat létezik, illetve az etalonról a különböző országoknak nemzeti másolatokat is készítenek, amelyek tömegét 10 évente összevetik a nemzetközi etalon tömegével.

Liberté, Égalité, Fraternité

A mértékegységek egységesítésének ötlete és az alapegységek univerzális állandókkal való definiálására való törekvés a francia forradalom alatt megalkotott metrikus rendszerre vezethető vissza. Az új rendszer bevezetésének célja az volt, hogy az átlagember megszabaduljon az ancien régime zavaros mértékegységeitől, és persze a forradalmár tudósok abban is reménykedtek, hogy egy napon az egész Földre sikerült kiterjeszteni egy egyetemes mértékrendszert, még könnyebbé téve a szellemi javak áramlását.

Ehhez olyan alapegységek bevezetésére volt szükség, amelyek mindenki számára hozzáférhetőek és egyértelműek, vagyis bárki által meghatározva azonos eredményt adnak. Így például a tömeg alapegységeként a kilogramm nagyságát először egy köbdeciméter víz tömegeként határozták meg, a méter hosszát pedig az Északi-sark és az Egyenlítő távolságának (vagyis a Párizson áthaladó délkör egynegyedének) 10 milliomodaként definiálták. Ezen egységekről aztán etalonokat is készítettek, hogy ne kelljen mindenkinek kimérnie a az értékeket.

De az alapkoncepció az volt, hogy ha valaki le akarta mérni a méter vagy a kilogramm nagyságát, maga is megtehette, és ez esetben nagyjából azonos eredményt kapott volna, mint a francia szakértők.

Pontosan ez a „nagyjából” kezdte aggasztani a későbbiekben a méréstannal foglalkozókat. Ahogy egyre inkább elterjedt az SI-rendszer használata, egyre inkább úgy tűnt, hogy az eredetileg meghatározott definíciók talán mégsem annyira stabilak, mint amilyennek elsőre tűntek. James Clerk Maxwell 1870-ben megfogalmazott aggályai jól tükrözik a kor emberének gondolkodását. A fizikus azt vetette fel, hogy ha a Föld a bolygó hűlése nyomán összehúzódik vagy meteoritok becsapódása miatt „hízni” kezd, a méter hossza is meg fog változni, így a mértékegység alapdefiníciója mégsem lesz megbízható. És ezzel persze a méterre alapozott mérések is bizonytalanná válnak.

A világ súlya

A megoldás a problémára az volt, hogy a méréstan szakértői még stabilabb alapok után néztek. A Föld helyett elkezdték a természetes állandókat alapul használni a mértékegységekhez: vagyis olyan mennyiségeket kerestek, amelyek jelen ismereteink szerint a világegyetemben mindenütt egyformák. Végül a méter volt az első, amely az új megközelítés alapján kapott definíciót: 1983 óta egy méternek azt nevezzük, amekkora távolságot a fény a másodperc 299 792 458-ad része alatt vákuumban megtesz.

Galéria megnyitása

Az elmúlt pár évtizedben aztán lassan öt másik alapegység meghatározása is hasonló átalakuláson ment át, míg végül csak a kilogramm maradt egy fizikai etalon függvénye. Mely etalon időközben teljes mértékben igazolta Maxwell egykori aggályait. Bár a kilogramm nemzetközi etalonja a legstabilabb ismert ötvözetek egyikéből készült, és vákuumban, változatlan környezetben őrzik, a fémdarab megmagyarázhatatlan módon veszíteni kezdett a tömegéből.

Megalkotása óta a referenciamérések alapján összesen nagyjából 50 mikrogrammal lett könnyebb az etalon. Illetve mivel ez fémhenger adja a kilogramm hivatalos nagyságát, igazából nem is lenne szabad azt mondanunk, hogy a kilogramm könnyebb lett, hanem a világon minden egy kicsit nehezebbé vált. A változás oka a szakértők szerint az lehet, hogy a 20. században nem mindig kezelték a maihoz hasonló gondossággal az etalont, az ugyanis a mérések alapján az elmúlt 30 évben változatlan maradt.

Ezek a fluktuációk persze nem ássák alá a metrikus rendszert, de kétségen felül rávilágítanak arra, hogy a tömeg alapegységének meghatározására nem biztos, hogy egy fémdarab jelenti a legprecízebb megoldást.

„Végre felülemelkedünk a káoszon, és az alapegységeket az univerzum anyagára, vagy ha úgy tetszik, a mennyekre alapozzuk”

– mondja Stephan Schlamminger, aki az amerikai NIST fizikusaként kulcsszerepet játszott a kilogramm újradefiniálásában.

Adjatok egy stabil pontot

A kilogramm nem véletlenül maradt utolsónak, fizikai állandók alapján történő meghatározása ugyanis rendkívül nehéznek bizonyult. A több évtizedes munka végül két Nobel-díjat és minden idők egyik legbonyolultabb műszerét eredményezte. Utóbbi, a Kibble-mérleg összetett felépítése ellenére működését tekintve nagyon hasonlít a hagyományos, kétkarú mérlegekre. Míg azonban a zöldségesnél fém súlyok kerülnek a másik serpenyőbe, a Kibble-mérleg a mérendő tömeget egy rendkívül pontosan meghatározható elektromágneses erővel hasonlítja össze.

Ezt az erőt egy állandó mágnesekkel körülvett tekercs generálja. A mérleggel kétféleképpen is meghatározható valaminek a tömege: egyrészt ha a tekercset áram alá helyezzük, elektromágneses erő generálódik, másrészt ilyen erő fejleszthető tekercs mozgatása révén is. Az utóbbi évtizedek felfedezéseinek hála mindkét esetben nagyon pontosan meghatározható a létrejövő erő nagysága, és ezen ismeretek egyesítése révén a Kibble-mérleggel meghatározható a dolgok Planck-állandóra alapozott tömege. (Ez utóbbi állandó a foton energiája és frekvenciája közötti összefüggést fejezi ki.)

Galéria megnyitása
Kibble-mérleg

Bár az elméleti koncepció a tömeg Planck-állandóra alapozott mérésére egy ideje már megvolt, a Kibble-mérleg mérnöki megalkotása rendkívül bonyolult feladatnak bizonyult. Aminek eredményeként, ahogy a többi alapegység esetében, ebben az esetben is eléggé átértelmeződött a francia forradalmárok által megfogalmazott hozzáférhetőség elve, vagyis hogy az alapegységek méretét elvileg bárki ellenőrizni tudja. Bár persze nyilvánvalóan a méter első meghatározása idején sem tudott volna bárki nekiállni, hogy lemérje a Föld kerületét, jelen esetben a kilogramm meghatározásának lehetősége két labor (egy kanadai és egy Egyesült Államokban található létesítmény) munkatársaira korlátozódik, akik rendelkeznek Kibble-mérleggel.

Abból a szempontból tehát nem fog sokat változni a helyzet, hogy a kilogramm meghatározását végső soron továbbra is egy szűk kör fogja elvégezni, mi pedig elhisszük nekik, hogy valóban jól mértek.

Alapvető különbség viszont, hogy ha egyszer elterjednek a Kibble-mérlegek vagy más mód kínálkozik a tömeg Planck-állandón alapuló mérésére, elvileg a világ bármely pontján, bármikor egyforma értéket kapunk majd a kilogrammra, nem pedig egy egyszer régen létrehozott etalont másolgatunk.

Az pedig különösen szép szimmetriát ad a változásoknak, hogy a tömeg és távolság mindenki által használt alapegységei rövidesen két olyan állandó (a Planck-állandó és a fénysebesség) alapján kerülnek meghatározásra, amelyeket a modern fizika két legmeghatározóbb elméletének, a kvantummechanikának és a speciális relativitáselméletnek köszönhetünk.

Neked ajánljuk

Kiemelt
-{{ product.discountDiff|formatPriceWithCode }}
{{ discountPercent(product) }}
Új
Teszteltük
{{ product.commentCount }}
{{ voucherAdditionalProduct.originalPrice|formatPrice }} Ft
Ajándékutalvány
0% THM
{{ product.displayName }}
nem elérhető
{{ product.originalPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.grossPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.grossPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.displayName }}

Tesztek

{{ i }}
{{ totalTranslation }}
Sorrend

Szólj hozzá!

A komment írásához előbb jelentkezz be!
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mondd el, mit gondolsz a cikkről.

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward