Virallinen kilogramma laihtuu - prototyyppi pian vaihtoon?

kilogramma
Teksti
Marko Hamilo
kilogramman prototyyppi

Maailmankaikkeus tunnetusti laajenee, mutta monelle saattaa tulla yllätyksenä, että se myös lihoo – tai ainakin sen laskennallinen massa kasvaa.

Kilogramma on nimittäin viimeinen metrijärjestelmän yksikkö, jota ei ole vielä määritelty universaalin ja ikuisen luonnonvakion avulla. Kilogramma on yhä määritelmän mukaan se massa, joka Pariisissa säilytettävällä platina-iridium-punnuksella sattuu olemaan.

Metrijärjestelmän keskeisen yksikön määrittely jonkin tällaisen yksittäisen kimpaleen avulla on fyysikoille jo periaatteessa noloa, mutta myös käytännöllisesti hankalaa. Tämä kilogramman prototyyppi nimittäin kuluu. Mutta laihduttuaankin se painaa edelleen määritelmänmukaisen kilon. Mutta sinä, minä ja koko muu maailmankaikkeus lihomme, tai ainakin massamme kasvaa.

Arkisiin tarkoituksiin riittää hyvin tietää, että litra vettä painaa kilon, ja kuutiometrihän on tuhat litraa. Metrikin oli alkujaan 1700-luvulla määritelty helposti hahmotettavalla tavalla: sovittiin, että päiväntasaajalta navalle olisi 10 000 kilometriä.

Metri kuitenkin määriteltiin myöhemmin sekin hankalan metallisen prototyypin avulla. Lopulta 1960-luvulla metri määriteltiin metrijärjestelmän alkuperäisen idean mukaisesti kaikkein universaaleimmalla mahdollisella tavalla: matkana, jonka valo kulkee 1/299 792 458 sekunnissa.

Kilogramman prototyyppiä Pariisissa verrataan muutaman vuosikymmenen välein joukkoon kansallisia kilogramman prototyyppejä, jotka kuljetetaan Ranskaan pelkästään tätä toimitusta varten. Vertailupunnitukset ovat toistuvasti osoittaneet, että virallinen kilogramma laihtuu.

Sietämätön epätarkkuus

Wired-lehden mukaan viimeksi tehdyssä mittauksessa vuonna 1988 punnusten välillä oli milligramman tuhannesosien eli pölyhiukkasen suuruusluokan eroja. Mittausinstrumentit pystyvät erottamaan jopa miljardisosan eroja punnusten välillä.

Prototyypit voivat ”saastua” jopa ilmassa olevista vesimolekyyleistä tai ihmisen kosketuksesta – jota tietysti vältellään niin paljon kuin mahdollista.

Fyysikoille tällainen epätarkkuus on sietämätöntä. Metrijärjestelmää hallinnoiva Kansainvälinen mittojen ja painojen komitea on päättänyt määritellä kilogramman muiden perusyksiköiden tavoin universaalien luonnonvakioiden avulla. Esitettyjä vaihtoehtoja on kaksi.

Vedyn yleisimmässä isotoopissa on vain yksi protoni ja yksi elektroni. Ne ovat samanlaisia kaikkialla maailmankaikkeudessa. Kilogramma voitaisiin siis periaatteessa ilmaista vetyatomien määränä.

Luku olisi tosin epäkäytännöllisen suuri. Gramma vetyä koostuu noin 600 miljardista biljoonasta atomista. Lisäksi tätä lukua on käytännössä vaikea mitata sen tarkemmin kuin pitää prototyyppikimpale puhtaana.

Mitta- ja painokomitea päätyikin viime lokakuussa suosittamaan kilogramman määrittelyä niin sanotun Planckin vakion avulla. Planckin vakio liittää fotonin energian sen aallonpituuteen.

Käytännössä uusi kilogramma määritettäisiin pitämällä sähkömagneeteilla kilon prototyyppiä ilmassa, eli mittaamalla, kuinka suurella jännitteellä magneetin vetovoima ja Maan painovoima ovat tasapainossa.

Komitea päättää uudesta määritelmästä ja lopullisesta luopumisesta kilogramman prototyypistä kokouksessaan vuonna 2014.

Le Grand K

Kilogramman kansainvälistä prototyyppiä, nimeltään tuttavallisesti Le Grand K, säilytetään holvissa Pariisin lähistöllä.

Brittiläinen metallurgi George Matthey valmisti prototyypin 1880-luvulla seoksesta, joka on 90-prosenttisesti platinaa ja 10-prosenttisesti iridiumia.

Le Grand K on sylinterin muotoinen kappale, jonka massa on määritelmän mukaan aina tasan kilogramma, vaikka se todellisuudessa jatkuvasti menettää atomeita.

Tutkijat eivät tiedä, miksi Le Grand K laihtuu. Verrokkikappaleet Ranskassa ja muissa maissa eivät ole kuihtuneet ainakaan yhtä nopeasti kuin Le Grand K.

Vertailuja tehdään noin 40 vuoden välein. Samassa yhteydessä Le Grand K pestään ensin alkoholilla ja kuivataan pyyhkeellä. Sitten se puhdistetaan vielä vesihöyryllä. Lopuksi sen annetaan kuivua itsekseen.

Kuva Jacques Brinon / AP Photo