Kilogramm on viimane rahvusvahelise mõõtsüsteemi ühik, mis põhineb füüsilisel objektil – Pariisis mitme luku ja riivi taga hoitaval 1879. aastal plaatinast ning iriidiumist valmistatud kaaluvihi massil. Materiaalne olemus toob kaasa mitu probleemi.

"Kui prototüüp praegu maha kukuks ja sealt tuleks lahti ühegrammine kild, oleks pärast järgmisi kalibreerimisi igal pool maailmas kilogramm ühe grammi võrra kergem," viitas Eesti massi riigietaloni labori etaloni hoidja Allar Pärn. Aegamööda leviks muutus nii supermarketitesse kui ka laboritesse. Igapäevaselt silmale nähtamatuid masse liigutavatele ja täppismõõtmisi tegevatele teadlastele tähendaks see katastroofi.

Etaloni füüsiline olemus tekitab probleeme aga isegi ilma suuremate õnnetusteta. Aeg-ajalt tuuakse üle kogu maailma paiknevad kilogrammi etaloni koopiad Pariisi, kus võrreldakse nende massi algse kilogrammiga. Mõõdetud väärtused lahknevad kümnendite möödudes järjest enam. Mõnel juhul küündib vahe juba 60 mikrogrammini. Pariisi etaloni mass väheneb. Eri kohtades asuvaid etalone puhastatakse eri aegadel ja eri viisil.

Etalonide täpne mass on aastakümnete jooksul oluliselt muutunud. Autor: Greg L/Wikimedia Commons

Ujuvuse vältimiseks võiks ehitada iga labor vajaduse tekkides oma mõõteseadme, millega määrata täpne kilogrammi väärtus. Mõõtühiku üle kaoks monopol. Lugu poleks sellestki, kui Pariisi varakambrites peituv 139-aastane kilogramm ühtäkki üles sulaks.

Vähemalt on suudetud siduda muutumatute konstantidega teised rahvusvahelise mõõtsüsteemi ehk SI-ühikud. Näiteks defineeriti meeter 1983. aastal vahemaana, mida läbib valgus 1/299 792 458 sekundiga. Kuna valguse kiirus vaakumis on igal pool täpselt samasugune, saavad kõik laborid sama tulemuse.

AS Metrosert teadus-arendusdivisjoni juht Toomas Kübarsepp nentis, et massi puhul ei leitud pikka aega võrreldavalt hästi sobivat füüsikalist konstanti. "Hiljem oli aga juba mitu alternatiivi – Avogadro arv ja Plancki konstant. Nende tehnilist sobivust kontrollivad katsed võtsid kümneid aastaid," meenutas Kübarsepp.

Plancki konstant iseloomustab kvantide, kvantmaailma väikseimate vahetusühikute suurust. Selle arvuline väärtus on 6,62607015 × 10-³⁴ m²*kg/s. Avogadro arv tähistab aineosakeste arvu 0,012 kilogrammis süsinik-12's, milleks on 6,0221415 × 10²³ osakest. Viimane konstant heideti lõpuks kõrvale selle realiseerimise keerukuse tõttu.

Katseliselt hõlmas see puhtast ränist maailma kõige ümarama kera valmistamist. Etaloni toormaterjali hind küündis miljoni euroni. "Seda saab maailmas ainult ühest kohast – Siberist ja ideaalilähedase kera valmistamiseks oli piisavalt vilunud sisuliselt ainult üks inimene Austraaliast. Põhiühiku taastatavuse mõttes polnud see kuigi hea variant," selgitas Kübarsepp. Samas nentis ta, et ülemäära lihtne pole kilogrammi Plancki konstandi kaudu defineerimiseks tarviliku mõõteseadme ehitamine.

Praeguseks on suudetud seda teha Ameerika Ühendriikides, Suurbritannias, Šveitsis ja Itaalias. "Kibble'i kaale, millega on võimalik uue definitsiooni põhjal realiseerida kilogrammi ühikut läbi Planck konstandi, omavad praegu majanduslikult väga suured riigid," viitas Pärn. Kaalu ehitamine nõuab viis kuni kümme miljonit eurot. Teisisõnu, Eestis ega ka Põhja-Euroopas keegi seda tõenäoliselt ehitama ei hakka.

Traditsioonilised kaalud põhinevad gravitatsioonilise massi tasakaalustamisel. Kibble'i ehk vati-kaaluga võrreldakse aga omavahel elektromagnetilist ja mehaanilist võimsust.

Esiteks lastakse 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 saabki tuletada Plancki konstandi. Ühe kilogrammi saamiseks tuleb jagada Plancki konstant 6,62607015 × 10^-34 m^-2s -ga.

Pärn kinnitas, et Eesti jaoks kilogrammi ümberdefineerimine midagi erilist ei tähenda. Kilogrammiste vihtide põhjal realiseeritakse massiskaalat ühest milligrammist 500 kilogrammini siingi, kuid see põhineb omakorda Saksamaa metroloogia keskasutuse etalonil. Tavatarbija muutust tõenäoliselt ei tajugi.

Kübarsepp viitas aga, et teadlaskonnale võib avada see siiski uusi võimalusi. Paralleeli saab tuua meetri definitsiooni muutmisega. Meetri täpse väärtuse määramisel mängisid võtmerolli laserid. "Need olid toona laboratoorsed seadmed ja neid oli vähe. Kui tänapäeval vaatame, siis on meil kõiksugu lasermõõteseadmed kauguse mõõtmiseks. Ka massi, eriti väikeste masside mõõtmisteks võiks tekkida sellised käepärased lahendused," mõtiskles Kübarsepp.

Erilist kasu võib tõusta sellest ravimitööstuses, kuid mitte ainult. "Näiteks aetakse kosmoseuuringute vallas taga universumi koostist. Räägitakse tumeainest, aine ülejäägist – see on kõik seotud meie võimega massi mõista või mõõta. Teine äärmuslik näide on väikestes kogustes ehk DNA uurimine ja geenitehnoloogia, kus on võimalik väikeseid molekulaarseid ühendeid mõõta ja säilitada," laiendas Kübarsepp.

Kilogrammi definitsiooni muutmise üle hääletatakse teisipäeval algaval rahvusvahelise kaalude ja mõõtude konverentsil. Ülekannet hääletusest saab jälgida reedel ka ERR Novaatori vahendusel. Otsuse vastuvõtmisel jõustub see 20. mail 2019.