Nové definice jednotek SI

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
Jak už jsme řekli, valná většina definic jednotek soustavy SI neměla na začátku ideální podobu. U některých se to časem spravilo, jiné problémy zůstaly.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
Které z nich byly a jsou největší?

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
O tom hovoří Petr Kulhánek z Katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Petr KULHÁNEK, fyzik, Katedra fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze:
Tak v podstatě potíže byly téměř s každou jednotkou. Nicméně některé byly řešitelné, například s metrem, kde samozřejmě ten původní etalon po určité době byl nedostatečný. Takže se nejprve předělával na slitinu platiny a iridia, která je méně ohebná, na profil ve tvaru X, aby se ten metr neprohýbal. A nakonec se metr stejně definoval pomocí vlnové délky, což je jedině přirozené. Nicméně ani tato definice metru dlouho nevydržela a ta finální definice pochází z roku 1983, kdy si lidé uvědomili, že metr je bytostně spjatý s rychlostí světla a že je vlastně škoda, že rychlost světla jakousi základní konstantu přírody uvádíme vždy s nějakou nejistotou, kde tam máme hodnotu plus mínus a zanáší nám to nejistoty do dalších vztahů. A že by bylo dobré mít rychlost světla fixní. Takže od roku 1983 je rychlost světla konkrétní jedno jediné číslo, které už se nemění. A pokud bychom hypoteticky dále měřili rychlost světla, tak už nezpřesňujeme rychlost světla, ale zpřesňujeme délku jednoho metru, který je přes tuto rychlost definován. Je to velice výhodné pro budoucnost, protože takto definovaný metr je prostě vztažený ke skutečné přírodní konstantě a ta je opravdu konstantní. Mohli bychom zvolit i jiné číslo, než je těch třikrát deset na osmou metru za sekundu přibližně, mohli bychom říci, že rychlost světla je třeba poloviční. Pak by ale metr byl dvojnásobně dlouhý nebo že je dvojnásobná, pak by metr byl poloviční. Čili vlastně se problém metru převedl do definice rychlosti světla. U ostatních veličin to byl velice složitý boj. Například kilogram, to je etalon, který má obrovské problémy a je to nejbolavější místo soustavy jednotek SI, protože kilogram je definován jako poslední etalon, který je uložen v Sevresu Paříže a tento etalon pravidelně prochází čistícími procedurami a při těchto čistících procedurách se nám mění před očima. Za poslední století se ten etalon změnil o 50 mikrogramů, což ale nemůžeme takto říct. Nemůžeme říct, že se kilogram zmenšil o 50 mikrogramů, protože ten kilogram je dle definice stále kilogramem. Takže my si musíme přiznat, že tím, že z toho kilogramu nám zmizely nějaké atomy tím, že se to otřelo při čistící proceduře, tak výsledek je, že nám rázem ztěžkla Země. To se dá velmi snadno spočítat o kolik, protože je-li 50 mikrogramů nějaký statisící díl, tak vlastně stotisícina hmotnosti Země najednou zcela zmizela díky změně definice kilogramu. Potom v roce 1954 byl korporován do soustavy jednotek ampér a ten je definován pomocí síly, kterou na sebe působí dva vodiče protékané proudem. A když si uvědomíme, co to je síla, tak to je hmotnost krát zrychlení. Takže tam je opět ta nešťastná hmotnost. Čili platí totéž. Jestliže změní počet atomů v tom základní etalonu tím, že dojde k čistící proceduře, tak se nám změní i hodnota ampéru. A takto bych mohl pokračovat. Mol, jednotka, která byla jako poslední přidána do soustavy jednotek SI, tak je definována jako počet atomů v nějaké hmotnosti atomu uhlíku a zase tam máme tu nešťastnou hmotnost. Čili ten etalon kilogramu, my říkáme, že je nestabilní. A tato nestabilita je zanášena do čtyřech jednotek soustavy SI. Když si uvědomíme, že jich je sedm, tak to je nadpoloviční většina, která není řádně definována.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
Na základě nové definice metru z roku 1983, která jej provázela s pevně zafixovanou rychlostí světla ve vakuu, vznikl určitý plán, jak definovat i ostatní základní jednotky soustavy SI. Řekl mi fyzik Petr Kulhánek.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
Jaký to byl plán?

Petr KULHÁNEK, fyzik, Katedra fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze:
Ten plán je dlouhodobý, ale byl vlastně připraven v roce 2011 na 24. mezinárodní konferenci o mírách a váhách, kde byl podán návrh, že by i ostatní jednotky soustavy SI mohly být definovány přes nějaké konstanty, že by se zafixovaly ke každé té jednotce SI nějaké konstanty a pomocí těchto konstant by daná jednotka byla definována. Kupříkladu u ampéru, kde jsou ty problémy, když je definován přes sílu, tak kdyby byl definován přes elektrický náboj, konkrétně přes náboj elektronu, který by měl fixní hodnotu, tak by se všechno velmi zjednodušilo. A takto se vlastně postupovalo u těch všech ostatních jednotek. Ten návrh byl návrhem v roce 2011, který byl přijímán s rozpaky. V roce 2014 na 25. všeobecné konferenci o mírách a váhách byl přijat už definitivně jako návrh, který je v pořádku. A realizovat se bude v roce 2018, což je docela dlouhá doba mezi návrhem a realizací. Ale ty čtyři roky se využijí k tomu, aby se lidé dohodli na hodnotě těch konstant, které budou definovat jednotky soustavy SI. To je důležité pro to, aby nebyl dotčen běžný život, aby běžný uživatel nic nepoznal a dokonce nejenom běžný uživatel, ale i třeba závody, které vyrábějí nějakou přesnou přístrojovou techniku, tak se jich nesmí dotknout to, že se změnila soustava jednotek SI. Čili je potřeba za ty čtyři roky najít správné hodnoty těch konstant tak, aby se to neprojevilo na jakýchkoliv běžných měřeních.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
Můžeme si říci, co a jak se tedy změní v tom roce 2018?

Petr KULHÁNEK, fyzik, Katedra fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze:
Víceméně ze soustavy jednotek SI nezůstane kámen na kameni. Změní se definice všech jednotek. Asi nade všemi bude stát sekunda, která je jednotkou času. Ta měla samozřejmě také problémy historické, protože původně byla odvozena z rotace Země a ta je nepravidelná. Později z oběhu Země kolem Slunce. Ale nakonec byla sekunda definována za pomoci přechodu mezi základní hladinou atomu cesia a to je definice velice precizní a přesná, protože frekvenci my umíme měřit velmi dobře. A tato jediná definice ze soustavy jednotek SI vlastně zůstane beze změny, že sekunda bude definována pomocí frekvence přechodu a ten bude zafixován. To bude ta základní konstanta. Na druhém místě je pak rychlost světla. Ovšem když si uvědomíme, že rychlost světla je dána nějakou hodnotou v metrech za sekundu, pokavaď z předchozí definice známe už sekundu, máme zafixovánu rychlost světla, tak si prostě jednoduše dopočteme, kolik ten metr je z této definice. No, a takto se postupuje dál a dál, že se zafixují další a další konstanty a prostým dopočtem se spočítá, kolik je ta správná hodnota té dané jednotky. Něco jiného je ovšem tato definice a něco jiného je realizace. Tady je na tom velice příjemné, že tu realizaci už nemusíme dělat žádným etalonem, ale každá země si tu realizaci může udělat svojí pomocí nějakého experimentu, ve kterém vystupují ty konstanty, které jsou zafixovány.