Eesti massi riigietaloni labori hoidja Allar Pärna sõnul ei peaks argielus selle pärast eriliselt muretsema. "Poolnaljaga võib öelda, et kõik 100 kilogrammi kaaluvad inimesed on nüüd 0,0000002 kilogrammi raskemad. Kui tavalise saunakaalu laiendmääramatus on 100 kilogrammi juures 0,2–0,5 kg, siis seda hüpet muidugi keegi ei märka. Väga täpsete mõõtmiste juures tuleb seda parandit juba arvesse võtta," selgitas metroloog.

Monopoli murdmine

Kirjeldatud tulemused on osa kavast viia kilogrammi mõõtmine sarnaselt teistele rahvusvahelistele mõõtühikutele sõltumatule alusele. Kuni 2018. aasta lõpuni oli ühe kilogrammi mass täpselt sama suur, kui Pariisis luku ja riivi taga hoitaval kaaluvihil. Viimane kujutas tõsist probleemi. Kui keegi oleks 1879. aastal valmistatud etaloni maha pillanud ja sellest oleks lahti tulnud kasvõi grammi suurune kild, oleks olnud kõik maailma ülejäänud kilogrammid tegelikust grammi võrra raskemad.

Tarvis polnud isegi taolisi dramaatilisi sündmusi. Viimaste mõõtmiste põhjal lahknes Pariisi kilogrammi mass maailma teistest etalonidest mõnel juhul kuni 60 mikrogrammi võrra. Ebakõla oleks saanud vältida, kui kilogrammi väärtust on võimalik määramata sõltumatult. Näiteks on suudetud teha seda meetri ja sekundi pikkusega.

Kolme aasta eest otsustasid maailm metroloogid, et kilogramm defineeritakse seetõttu ümber Plancki konstandi kaudu. Kvantmaailma väikseimate vahetusühikute suurust iseloomustava konstandi arvuline väärtus on 6,62607015 × 10^-34 m²*kg/s.

Kilogrammi väärtuse leidmiseks tuleb kasutada Kibble'i ehk vati-kaalu. Gravitatsioonilise massi asemel tasakaalustatakse sellega elektromagnetilist ja mehaanilist võimsust. Mõõteseadme ehitamine maksab suurusjärgus 5–10 miljonit eurot. Praeguseks on seda teinud piisavalt paljud riigid, et teha saab esimesi vahekokkuvõtteid.

Allar Pärna sõnul ollakse tulemuste põhjal õigel teel, kuid arenguruumi on kõvasti. Iga mõõtmisega kaasneb oma määramatus. Kibble'i kaalude puhul on see kogukonna jaoks veel liiga suur ja peaks tulevikus kordades vähenema.

"1 kg (IPK) antud standardmääramatus 0,020 milligrammi ei rahulda hetkel täppismõõtmistega tegelevaid ettevõtteid ega loomulikult ka metroloogiainstituute. Küll aga on saavutatud selle võrdlusmõõtmisega sõltumatus. On selgelt näha, et uue definitsiooni põhjal on võimalik realiseerida massiskaala prototüüpi kasutamata ja tulemused langevad suhteliselt (hästi) kokku," selgitas Pärn. Teisisõnu, Pariisi kilogrammi monopol on murtud, kuid sel on esialgu oma hind.

Varem sai rahvusvaheline kaalu ja mõõtude büroo öelda, et Pariisi etaloni järgi kalibreeritud 1-kilogrammiste vihtide standardmääramatus on 0,010 milligrammi. Nüüd peavad lisama nad sinna juurde kilogrammi mõõtmisega seotud määramatuse. "Nende väljastatav standardmääramatus hakkab esialgu olema umbkaudu 0,025 mg juures. See tähendab seda, et kõik maailma riigid, kelle jälgitavus massietalonidele tuleneb BIPM-st ehk esialgu enamus riikidest saavad omale etalonidele märgatavalt suurema määramatuse," sõnas Pärn.

Laiem mõju

Tavaelus pole nii väikestel erinevustel suuremat vahet. Küll muutub see oluliseks mikroskaaladel. "Meditsiinis on võetud kasutusele laserpintsetid, millega on võimalik liigutada silmale nähtamatut. Kuidas aga mõõta silmaga nähtamatut massi? Kokkuleppelise massi määramatuse vähendamine on põhimõtteliselt "elu ja surma" küsimus. Mida täpsemalt me suudame mõõta, seda rohkem suudetakse päästa elusid," arutles metroloog.

Eesti massi riigietaloni laboris tehtavate kalibreerimiste puhul on määramatus eelmainitust mõnevõrra suurem. Rahvusvahelise andmebaasi põhjal ulatub 1 kilogrammi kalibreerimisel laiendmääramatus 0,1 milligrammini.

"Oleme esitanud selle mõõtevõime teatava varuga – tegelik laiendmääramatus arvutuslikult jääb kusagil 0,062 mg juurde. Kui lisada sellele standardmääramatuse komponent 0,020 mg siis nüüd tegelik mõõtevõime Eesti massi riigietaloni laboris 1 kg vihi kalibreerimiseks oleks 0,074 mg juures. Varu jääb väiksemaks, aga klientide jaoks ei muutu midagi," rahustas Allar Pärn.

Tulemusi kirjeldatakse ajakirjas Metrologia.

Kibble'i kaal ja konkurendid

Kibble'i kaaluga massi määramiseks lastakse esmalt läbi magnetväljas asuva mähise elektrivool, mille mõjul tekkiv jõud tasakaalustab füüsilist massi. Teise sammuna liigutatakse mähist magnetväljas, et tekitada elektrivool. Mähise liikumiskiiruse ning teiste voolutugevuse ja -hulgaga seotud eksperimentaalsete väärtuste mõõtmisest saab tuletada Plancki konstandi. Ühe kilogrammi saamiseks tuleb jagada Plancki konstant 6,62607015 × 10^-34 m^-2s -ga.

Teise tõsisema võimalusena kaaluti kilogrammi defineerimist Avogadro arvu järgi. Viimane tähistab aineosakeste arvu 0,012 kilogrammis süsinik-12's, milleks on 6,0221415 × 10²³ osakest. Katseliselt hõlmab see puhtast ränist maailma kõige ümarama kera valmistamist. Ainuüksi etaloni toormaterjali hind küündis 2018. aastal miljoni euroni. Nõnda hinnati meetodiga massi määramist liiga raskesti korratavaks.

Ajakirjas Metrologia esitlesid oma Kibble'i kaaluga saadud tulemusi rahvusvaheline kaalu ja mõõtude büroo, Korea, USA ja Kanada. Saatuse irooniana said ränikera abil massi määranud Jaapan ja Saksamaa väljastada esialgu palju väiksema määramatusega tulemusi.

"Antud võrdluses osalenud riikide loetelu on väga lühike. Kindlasti puuduvad siit veel hetkel paljude riikide metroloogia instituudid kes samuti oma meetodit välja töötavad, näiteks Suurbritannia, Itaalia, Šveits. USA (NIST) väljastatud määramatusele oleks pannud kõrgemad ootused. Nemad ju panid suuresti aluse, et kilogramm defineeriti ikkagi Planck konstandi, mitte ränikera järgi," kommenteeris Allar Pärn.