Měřit stejným metrem... třeba zlato

Jediným způsobem, jak zabránit různým komplikacím s nestejnými měrnými jednotkami, je stanovit nezpochybnitelnou definici každé takové měrné jednotky, odvozenou od konkrétních a vždy konstantních fyzikálních jevů. Pro metr se to už podařilo, pro kilogram žádná taková definice zatím není. O složitosti problému hovoří Petr Kulhánek z katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze:

Metr, to je otázka období před Velkou francouzskou revolucí (1789), kdy se ukázalo, že délkových jednotek je celá řada a je třeba je nějak unifikovat. Francouzská akademie věd tenkrát vypsala soutěž na novou definici metru a objevily se dvě myšlenky, jak metr definovat. Obě dvě, myslím, měly stejnou šanci na úspěch. První byla pomocí kyvadla a sekundy. Šlo o to, že kdyby se zkonstruovalo takové kyvadlo, které bude mít dobu kyvu přesně jednu sekundu, tak by se délka toho závěsu prohlásila za jeden metr. Odpůrci této teorie říkali, že bude samozřejmě záležet na tom, kde toto sekundové kyvadlo postavíme, zda to bude v Paříži nebo v jiném městě a v jaké to bude nadmořské výšce - a tak se od této první varianty ustoupilo. Druhá varianta vypadala na první pohled jednodušeji. Šlo o to, že by se vzdálenost od pólu k rovníku rozdělila na deset milionů dílů, a tento díl by se nazval metrem. Ve finále se ukázalo, že tato definice je možná ještě horší než to sekundové kyvadlo. Rozdělte vzdálenost od pólu k rovníku! Stejně musíte říci, který poledník se použije... Samozřejmě to probíhalo ve Francii, takže se použil ten poledník, který probíhá Paříží. Jak změřit jeho délku od pólu k rovníku, když je podstatná část pokryta moři, to je samostatný problém. Takže se měřilo alespoň to, co šlo po pevnině Francií, kde ale část jde nížinami, část Pyrenejemi. Byly ustanoveny dvě výpravy geodetů, které změřily, kolik je ten správný metr. No a o několik desetiletí později, když byly hotovy, Friedrich Bessel upozornil, že ta měření stejně nejsou v pořádku, protože se zapomnělo na zploštění Země a ten rozdíl je velice podstatný. Nicméně to už byl okamžik, kdy podle té nové definice z těch trigonometrických měření byly odlity prototypy metrů, nejprve z takových tyčí s ryskami, a metr se začal definovat jako vzdálenost mezi dvěma ryskami na té vybrané tyči, která se nejvíce blížila trigonometrickým měřením. Později se dělal nový prototyp metru ze slitiny platiny a iridia, který byl stabilnější. Nicméně pořád to byl značný problém, že někde musel být uložen prototyp, konkrétně v Sévres u Paříže v Mezinárodním ústavu měr a vah, a ten prototyp se musel neustále přeměřovat. Z něho se pak dělaly národní kopie a ty se rozesílaly všude po světě. Veškerým těmto snahám byla nakonec učiněna přítrž v roce 1983, kdy se k definici metru použilo velice zvláštní metody... Jestliže budeme měřit rychlost světla a budeme to měření stále zpřesňovat, tak dojdeme k hodnotě 2,99 (plus další posloupnost číslic) metrů za sekundu. Ta hodnota rychlosti světla se skládá jednak z čísla a jednak z jednotky metr za sekundu. A fyziky napadlo to číslo zafixovat. V okamžiku, kdy se to číslo zafixuje, budeme znát rychlost světla přesně, co se týče číselné hodnoty, ale bude variabilita v tom metru za sekundu. A to je možné využít k definici metru, která bude daná prostřednictvím rychlosti světla a bude už fixní. K tomu, jak jsem říkal, došlo v roce 1983 a od té doby s metrem nejsou problémy, protože známe přesně rychlost světla a od toho je odvozena definice metru. V okamžiku, kdy budeme zpřesňovat měřením rychlost světla, tak vlastně zpřesňujeme i tu definici metru.

Něco podobného jako s metrem touží vědci provést i s kilogramem. Ten zatím, jako poslední ze základních měrných jednotek, svou skutečně exaktní fyzikální definici nemá. I nadále je definován etalonem - tedy jedním konkrétním exemplářem měřidla, prototypem, uloženým u Mezinárodního úřadu pro míry a váhy. Možná vám to připadá jako poměrně jednoduché řešení a myslíte, že není důvod na tom nic měnit. Opak je pravdou. V čem je problém?

Etalon se musí udržovat. Je pod poklopem ve vysokém vakuu, ale čas od času se čistí a podle tohoto etalonu se vytvářejí národní etalony, které jsou prototypy kilogramu pro jednotlivé státy. A najednou se zjistil zásadní problém, že ty národní etalony mají o něco vyšší hmotnost, než ten mezinárodní etalon. Nečistí se totiž tak často, jako etalon v Sévres u Paříže, který přece jen tou procedurou čištění ztrácí určitý počet atomů. Je to sice velice malá hodnota, ale nějaká přece jen. A nám najednou nastává situace, že ten mezinárodní prototyp kilogramu se nám ztrácí před očima a zmenšuje se a zmenšuje. Ale protože to je definice kilogramu, tak s tím nemůžeme nic dělat a ona se nám historicky neustále posouvá. Bude to třeba vyřešit. Těch možností, o kterých se uvažuje, je několik, asi čtyři nebo pět. V tuto chvíli největší naděje je buďto zvolit nějaký konkrétní prvek, ať je to křemík nebo uhlík, a definovat kilogram pomocí přesného počtu atomů, což by vlastně znamenalo zafixování Avogadrovy konstanty, nebo je tu druhá možnost, která se zdá asi úplně nejnadějnější. Definovat kilogram pomocí Planckovy konstanty. Bude se provádět velice zvláštní měření hmotnosti přes supravodivý magnet, který bude levitovat a tím magnetickým polem se bude měřit hmotnost a to ještě dynamickým způsobem pohybujícího se tělesa. Tím se do vztahu pro hmotnost dostane Planckova konstanta, z toho supravodivého magnetu, což je kvantový jev - a už jsme doma. Můžeme mít vztah, ve kterém vystupuje jak hmotnost, tak Planckova konstanta. Planckovu konstantu zafixujeme na nějaké konkrétní hodnotě, tak jako se to udělalo v roce 1983 s rychlostí světla, a v tu chvíli už je kilogram definován prostřednictvím Planckovy konstanty. Uvažuje se o tom zhruba pro rok 2011. Takže během dvou až tří let by se měla otázka kilogramu definitivně vyřešit.

...říká Petr Kulhánek z katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. Snad se to skutečně podaří a my ohledně kilogramu nebudeme dále "tápat". Etalon kilogramu, uložený u Mezinárodního úřadu pro míry a váhy, je zhotoven ze slitiny dvou drahých kovů, platiny a iridia. Jsou to kovy dost vzácné, daleko vzácnější než třeba zlato. To se dokonce, narozdíl od platiny a iridia, po dlouhá staletí těžilo i u nás. Dokonce se dá říci, že české země měly na výskyt zlata v jakékoliv přírodní podobě neobyčejné štěstí. Mají ho i dnes... Jak podotýká geoložka Veronika Štědrá z České geologické služby, naše ložiska zlata jsou buď primární, tedy přímo v hornině, nebo sekundární - ve svahových sedimentech a korytech řek a potoků. Už dávní praobyvatelé Čech zjistili, že se v tomto kraji vyskytuje spousta míst, kde se dá zlato snadno získat rýžováním. V českých řekách a potocích se proto intenzivně rýžovalo po mnoho staletí.

Je i dnes šance najít v nich nějakou tu zlatinku? A pokud ano, lze v nich rýžovat jen tak, takříkajíc "na divoko"; bez nějakého speciálního povolení?

Vraťme se ale k nám domů. Ještě jsme se nezmínili o tom, kde se u nás vyskytují primární ložiska zlata a jestli jsou některá z nich natolik bohatá, aby stálo za to v nich těžit?

O tom, jak se zlato rýžuje, má asi určitou povědomost každý. Jak se ale zlato získává při těžbě z primárního ložiska? Vycházíme-li z informací, které se tu a tam objeví ve sdělovacích prostředcích, pak musíme dojít k závěru, že jde zřejmě o záležitost velmi neekologickou, ba nebezpečnou. Je to pravda?

V případě, že by se někdy v budoucnu u nás zlato opět začalo těžit, jistě by to bylo podstatně šetrnějším způsobem. Zatím se ale žádná těžba nechystá. Povídali jsme si o tom s Veronikou Štědrou z České geologické služby.

Vysíláno v Planetáriu č. 04/2009, 24. ledna - 1. února 2009.
Přepis: NEWTON Media, a.s.
Kompletní rozhovor si poslechněte ZDE (14:49).