Mokslininkai nustatys naują kilogramo apibrėžimą pagal kvantinės fizikos dėsnius

Obuolio dydžio objektas, laikomas požeminėje saugykloje po vieno prancūzų didiko buvusiais pramogų rūmais į vakarus nuo Paryžiaus, yra pasaulio svorių sistemos atskaitos taškas.

Sukurtas audringu laikotarpiu moksle ir politikoje po Prancūzijos revoliucijos, šis nedidelis platinos ir iridžio lydinio cilindras stovi beveik nejudinamas jau beveik 130 metų. Visame pasaulyje jis pripažįstamas pavyzdžiu, itin tiksliai apibrėžiančiu, kas yra kilogramas.

Tarptautinis kilogramo etalonas, dar vadinamas „Le Grand K“, yra viena gerbiamiausių mokslo relikvijų. Pagal jį nustatomi visi kiti svoriai, tad jis yra labai svarbus metrinės sistemos, sukurtos laisvės, lygybės ir brolybės epochoje, objektas.

Su šiuo etalonu elgiamasi itin pagarbiai, tad nuo 1889 metų jis buvo pasvertas tik keturis kartus. Be to, patalpa Bretėjaus paviljone, kur jis yra laikomas, gali būti atidaryta tik trims dabartiniams raktų valdytojams, kurie dėl saugumo priežasčių privalo būti skirtingų šalių piliečiai, vienu metu spynoje pasukus raktą.

Vis dėlto kilogramo etalonas artimiausiu metu gali būti nurašytas.

Šią savaitę šimtai mokslininkų iš viso pasaulio susirinks į puošniuose Versalio rūmuose vyksiančią 26-ąją Visuotinę svorių ir matų konferenciją.

Remdamiesi pažadu, kad metrinė sistema turi tarnauti „visiems amžiams, visiems žmonėms“, mokslininkai, nors ir gerokai pavėluotai, pakeis „Le Grand K“ etaloną universalia formule, apibrėžiančia kilogramą pagal kvantinės fizikos dėsnius.

„Kilogramas yra paskutinysis matas, pagrįstas fiziniu objektu“, – sakė Prancūzijos nacionalinės metrologijos ir tyrimų laboratorijos direktorius Thomas Grenonas (Toma Grenonas).

Jis pabrėžė, kad fizinio etalono svoris bėgant laikui gali nežymiai keistis, todėl esant dabartiniams tikslumo reikalavimams tokia padėtis nėra patenkinama.

Kas yra sekundė?

XVIII amžiaus pabaigoje priėmus metrinę sistemą mokslininkams reikėjo sukurti vieningą struktūrą, nusakančią atstumą, laiką, elektrinius procesus ir masę panašiais ir susijusiais matavimo vienetais.

Jie nustatė, kad metras bus atstumo nuo Šiaurės ašigalio iki pusiaujo – be abejo, matuojant pagal dienovidinį, einantį per Paryžių – dešimtmilijoninė dalis.

„Kai dabar pažvelgiame atgal, sakome, kad jų pasirinktas procesas buvo gana geras; mūsų dienomis vargu ar tai darytume visiškai kitaip“, – sakė Tarptautinio svorių ir matų biuro (BIPM) direktorius Martinas Miltonas.

Metras savo ruožtu buvo panaudotas masei apibrėžti: nustatyta, kad kilogramą sveria vandens kiekis, sudarantis kubą, kurio kraštinė – 10 centimetrų.

Vis dėlto mokslas nuo Prancūzijos revoliucijos laikų smarkiai pažengė į priekį.

Metras dabar apibrėžiamas kaip atstumas, kurį vakuume nukeliauja šviesa per mažytę sekundės dalį.

Pati sekundė anksčiau buvo siejama su laiku, per kurį Žemė apsisuka aplink savo ašį. Tačiau nuo 7-o dešimtmečio sekundė oficialiai laikoma laiko tarpu, reikalingu stabilaus cezio izotopo Cs-133 atomui atlikti tiksliai 9 192 631 770 svyravimų.

Planuojama, kad kilogramo masė nebebus susieta su konkrečiu fiziniu objektu. Ateityje ji bus apibrėžiama pagal Plancko (Planko) konstantą – santykį tarp kvantinės energijos kiekio, pernešamo tam tikro dažnio šviesos bangų, ir to paties dažnio, tai yra, 6,626 x 10-34 džaulio sekundžių.

Energija yra glaudžiai susijusi su mase – tai rodo garsioji Alberto Einsteino (Alberto Einšteino) formulė E=mc2.

Plancko konstanta kartu su dviem kvantiniais reiškiniais, lemiančiais elektrinę galią, gali būti naudojama apskaičiuoti masei, remiantis atitinkamo mechaninės galios dydžio skaičiavimais.

„Jeigu stumiate masę, jums reikalinga galia priklausoma nuo šios masės. Taigi, šią galią aiškiai galite susieti su elektrine galia, apskaičiuota pagal mūsų kvantines konstantas“, – M. Miltonas sakė naujienų agentūrai AFP.

Naujo apibrėžimo šalininkai sako, kad jis būtų mažiausiai milijoną kartų stabilesnis negu fiziniai etalonai ir galėtų būtų ateityje praktiškai pritaikomas.

„Daugeliui sričių vienas kilogramas yra labai didelė masė“, – sakė M. Miltonas.

Dėl farmacijos ir chemijos pramonės pažangos vaistų sudedamųjų dalių kiekiai vis dažniau matuojami mikrogramais, tad reikalingas vis didesnis tikslumas.

„Vienas kilogramas tinkamas bulvėms, kai itin didelis tikslumas nebūtinas. Tačiau šis svoris nėra tinkamas taikyti daugelyje kitų mokslo ir pramonės sričių. Tuo metu naujosios sistemos pritaikymo mastas yra beribis“, – pažymėjo M. Miltonas.

Valstybės linkusios susitarti

Per suvažiavimą Versalyje mokslininkai taip pat nustatys naujus ampero (elektros srovės stiprumo mato), kelvino (temperatūros mato) ir molio (medžiagos kiekio mato) apibrėžimus, remiantis universaliais gamtos dėsniais.

Pasak M. Miltono, šis sprendimas suteikia galimybę užtikrinti, kad pasaulis visuomet aiškiai sutars, kas yra kilogramas – ar tai būtų pakelis cukraus, litras vandens, ar tikslus kvantinis santykis.

„Gyvename pasaulyje, kuriame žmonės susirūpinę, jog pastangos siekti daugiašališkumo yra sustabdytos ir galbūt netgi regresuoja. Tačiau šioje srityje – matavimų moksle – valstybės iš tikrųjų linkusios susitarti“, – aiškino jis.

Galbūt „Le Grand K“ jau nebėra naudingas kaip tobulas kilogramo etalonas, bet jo indėlis mokslui toli gražu neišnyksta.

„Jis tebebus laikomas čia, saugykloje, tomis pačiomis sąlygomis, kokios buvo nuo 1889 metų“, – sakė M. Miltonas.

„Iš tikrųjų tai yra ilgalaikis eksperimentas, nes mes jį sversime ateinančiais dešimtmečiais, kad pamatytume, kaip jis reaguoja į sąlygas. Jis išlieka mokslui įdomus objektas“, – pridūrė jis.

BNS