Kilogramm kipub muutuma üha kergemaks
118 aasta eest valmistatud algkilogramm, mida hoitakse klaaskuplite all hoolikalt lukustatud ruumides Pariisist veidi eemal Sèvres’is asuvas Rahvusvahelises Kaalude ja Mõõtude Büroos, on kaotanud 50 mikrogrammi, võrreldes sellest tehtud tosina koopiaga. Füüsikud on aastakümneid otsinud kilogrammi loomulikku, looduslikku definitsiooni. Kuni teadlased vaidlevad, seni algkilogramm muudkui kergeneb, justkui kaalupommid Tallinna turgudel.
Poliitiline kilogramm
Inimkond vajab ühtset mõõdusüsteemi – seda taipas flaamlane Simon Stevin juba 1586. aastal. Kuid säärase süsteemi kehtestamine polnud killustatud Euroopas kerge, kuni tuli kuningas Louis XVI ja andis käsu see välja mõtelda. Teadlaste etteotsa määrati 1788. aastal kuninga soosik ja geniaalne keemik Lavoisier ning temaga koos tegutsesid Laplace ja Coulomb. Tol ajal oli Prantsusmaal käibel 2000 mõõtühikut. Põhivaidlus käis pikkusühiku üle.
1798. aastal kutsus Prantsuse diplomaat Talleyrand kokku kogu, mida võib pidada maailma esimeseks teaduskongressiks. Päevakorras oli vaid üks punkt: meetrilise süsteemi kehtestamine. Kuna aga samal aastal oli Suurbritannia hävitanud Prantsuse laevastiku, jäeti nii see maa kui ka USA kõrvale. Nõnda kestiski arhailine süsteem sealmail edasi. Praeguseks pole meetermõõdustikku kehtestanud vaid kolm riiki. Need on USA, Myanmar ja Libeeria.
Meeter ei ole enam mõnda aega seotud algmeetri pikkusega ning seega Maa meridiaaniga, vaid hoopis loodusliku ja muutumatu nähtusega, tseesiumi aatomi poolt kiiratud valguse lainepikkusega. Sekund, mida algselt määrati kui üht 86 400-ndikku keskmisest solaarpäevast, on nüüd seotud valguse kiirusega vaakumis. Nõnda on nood kaks mõõtühikut mõistetavad kogu universumis.
Kilogrammiga on teised lood. See on siiani määratud kui Prantsusmaal seitsme luku taga ja kahe klaasanuma sees vaakumis hoitava etaloni mass. Sekund on sekund ja meeter on meeter ning jäävad selleks, isegi kui planeet Maa peaks hävima. Alates 1990. aastast kehtib see ka voldi ja oomi kohta, mis on seotud looduse konstantidega. Ainult kilogramm ehk le grand K, nagu prantslased seda nimetavad, on jäänud kodustatuks. Inimkond ei saa läbi Sèvres’ita.
Sekund ja meeter on nüüdseks määratud täpsusega üks osa kümnest miljonist. Kuid kilogramm on määratud algkilogrammiga, mille kaal pidevalt muutub. Pealegi selgus juba ammu, et algkilogrammi mass ei vasta täpselt puhta vee massile temperatuuril 4 °C.
Kuidas lugeda aatomeid
Kuidas sellest olukorrast välja tulla? Pakutud on mitut lahendust. Üks neist oleks mõõta olemasoleva prototüüpkilogrammi mass nii täpselt kui võimalik ning siduda siis kindla arvu mingi kindla elemendi aatomite kogumassiga. See seaks kilogrammi ühendusse Avogadro arvuga, mis seob aatomite arvu ühes moolis aines. Nii näiteks on süsinik-12 aatomite ühe mooli mass 12 grammi ja selles on 6,02 x 1023 aatomit. Sihukese arvu aatomite ülelugemine on aga põhimõtteliselt võimatu. Kui ka loendur suudaks lugeda sekundis triljon aatomit, kuluks selleks 15 000 aastat.
Siiski võivad teadlased määrata perfektses kristallis sisalduvate aatomite arvu, jagades kristalli ruumala ühe aatomi poolt hõivatava ruumalaga. Kui siis kristall üle kaaluda ja aatomite mass süsinik-12 suhtes on teada, võib välja rehkendada Avogadro arvu ja sealt kilogrammi uuesti defineerida.
Praegu tegeleb sellega rahvusvaheline Avogadro konsortsium. Kuid kristall peab olema võimalikult perfektse struktuuriga, sisaldama võimalikult vähe lisandeid ja defekte. Aluseks võeti ränikristall, sest elektroonikatööstus on sellega hästi kohanenud. Sellisest ideaalilähedasest kristallist lõigatakse tükk ja lihvitakse see lõpuks sfääriks. Austraalias on valmistatud ränisfäär läbimõõduga 93,6 millimeetrit, mis erineb ideaalsest vaid 50 nanomeetri võrra. Kui iga räniaatomi läbimõõt oleks 20 millimeetrit, oleks see sfäär maakerasuurune ja mäed sellel orust tipuni vaid seitsme meetri kõrgused. Ent sellest veel ei piisa. Tuleb täpselt määrata ka räni isotoopiline koostis ning mõõta aatomi diameetri täpsusega sfääri läbimõõt. Seda tehakse laserkiirega. Lõpuks tuleb sfäär ka ära kaaluda, kõrvutades seda algetaloniga. Ütlematagi selge, et kõike seda tuleb teha äärmiselt puhtas keskkonnas.
Praeguseks on valmistatud selline ränisfäär, mille aatomite arv on üle loetud täpsusega kaks osa 10 miljonist. Veel parema ja puhtama ränisfääri valmistamiseks arvatakse kuluvat umbes kaks miljonit dollarit.
Teine võimalus on ekvivalentne energia üle kaaluda. See tähendab, kasutada Einsteini kuulsat valemit E = mc2, mis seob massi ja energia. Selgi teel otsitakse lahendust, ent on põrgatud veel suurematele raskustele kui aatomite ülelugemisel. Tuleb kasutada kindlaid kvantefekte või õieti töötada kvantmaailma ja klassikalise maailma piiril.
Viimaks ometi tuleks teada saada, mis asi see mass ikkagi on. Selleks ehitataksegi Euroopa tuumauuringute keskuses CERN-is hiiglaslikku algosakeste põrkurit, millega saada kätte seni vaid paberil olev nn Higgsi boson, mis teooria kohaselt tekitab välja, mis annabki osakestele massi. Neil ju ometi on see – mida saab kogeda mitte ainult iga kaalujälgija, vaid ka iga turuline.
Kuni teadlased leiavad lahenduse, lebab plaatina ja iriidiumi sulamist valmistatud kilogrammi prototüüp, le grand K, Sèvres’is hoolsa valve all. Ja võtab muudkui kaalust alla. Kilogrammi on politiseeritud juba algusest peale. Algselt pidi kaaluühiku nimeks saama hoopis grave. Kuid Prantsuse revolutsionäärid arvasid, et see ei sobi, sest meenutab saksa aristokraaditiitlit Graf. Nõnda tekkis gramm ladinakeelsest sõnast “väike kaal”.
