Tiede

Kilogramman virallinen punnus vaihtui sähköiseen vaakaan – Silti ikääntyneellä ja ylipainoisella kappaleella on yhä käyttöä

Kilogramma on sidottu nykyisin luonnonvakioon. Sen mallikappaleita ei kuitenkaan heitetty menemään VTT:n Mittatekniikan keskuksessa Espoossa.

Lasikuvun alla lepää punnus, jota voisi luulla kultakimpaleeksi. Niin monen lukon taakse se on viety.

Se ehkä onkin kultaa arvokkaampi, vaikka on vain terästä. Punnus painaa 1,000000276 kilogrammaa. Se on Suomen lähes virallinen kilo.

VTT:n Mittatekniikan keskuksen johtaja Martti Heinonen nostaa puhdastilassa Espoon Otaniemessä kiloa sentin pari alustaltaan. Ei ihan silkkisin hansikkain, mutta ainakin pölyttömin.

Kerrottakoon tarkkuuden nimissä, että Heinosen käsissä ei ole Suomen virallinen kilo.

Teräspunnus on näköiskopio virallisesta kilosta, joka tuotiin Suomeen Pariisista jo vuonna 1890. Tätä kilogrammaa säilytetään ”suojatussa paikassa”, Heinonen vastaa uteluun.

Laboratoriossa on muitakin tarkasti mitattuja kiloja lasi­kupujen alla. Nyt niiden asema horjuu. Kiloa on alettu mitata yhä tarkemmin.

Kilon määritelmä on viime toukokuusta nojannut Planckin vakioon, luonnonvakioon.

Maailman mittatieteen asiantuntijat eli metrologit sopivat Planckin vakion arvosta Pariisissa marraskuussa 2018. Numerotaidoton ymmärtää vakion numeroiden litaniasta ehkä sen, että sen arvo on äärimmäisen pieni.

Kansainvälisen paino- ja mittatoimiston BIPM:n 59 silloista jäsenmaata hyväksyivät muutoksen ja muut maat seuraavat perässä. Uusi kilo tuli virallisesti voimaan myös Suomessa 20. toukokuuta 2019.

Lukua tärkeämpää on ymmärtää, että kilon suuruus ei tuosta muutu enää ehkä koskaan. Arvo on saatu luonnonilmiöstä ja siksi se pysyy samana.

Toki tulevaisuuden mittatieteilijät voivat keksiä kilolle vielä paremman määritelmän. Siihen ei varmaan tällä vuosisadalla ole tarvetta.

Maallikolle kilon uusi määritys näyttää siltä, että asia mutkistui. Miksi vaiva? Eikö kilon punnus riitä?

Se kärsii vanhuuden vaivoista. Suomen 130-vuotiaan kilon pintaan on kertynyt 0,3 kilo­gramman miljoonasosaa lisää painoa. Niin on käynyt, vaikka vanhusta on pidetty puhdastilassa ja lasikuvussa.

”Massaa ovat kasvattaneet ilman pienhiukkaset ja molekyylit”, sanoo Heinonen.

Sama ongelma on mitattu jo kauan sitten eri suuruisina kaikista kilon kopioista, joita on 86.

Massan kasvun voi todentaa heti, jos punnitsee punnuksen tyhjiössä. Kun se tuodaan takaisin ilman kaasuihin, se pinta alkaa elää. Siihen tarttuu heti ilman pieniä hiukkasia, aerosoleja.


Punnuksen 0,3 kilogramman miljoonasosan ylipaino tuntuu vähältä, mutta nykyajan tieteessä ja kaupanteossa ei haluta pieniäkään kilojen eroja.

Kiloja alettiin jakaa maailmalle Pariisista 1889. Silloin Ranskan akatemia otti käyttöön kilogramman ja metrin prototyypit.

Joidenkin fyysikkojen ja metrologien unelma oli jo silloin, että suureet voitaisiin sitoa vakaisiin luonnonilmiöihin ja niihin liittyviin luonnonvakioihin.

Tarkkaa syytä sille, miksi luonnonvakiot ovat mitä ovat, ei tiedetä. Yksi niistä on Planckin vakio, joka kuvaa valokvanttien energian ja taajuuden suhdetta.

Planckin vakio saatiin mitattua mittatieteelle riittävän tarkasti vasta 2010-luvulla. Tarkkuus löytyi, kun sen arvoa mittasivat eri laboratoriot.

Mittausten erot olivat niin pieniä, että maailman johtavat metrologit päättivät vuonna 2018 kilon mittahistorian suurimmasta muutoksesta. Luonnonvakioon sidotun kilon tarkkuus on nyt kilon miljardisosien luokkaa.

Pelkkä vakio ei kerro kilosta mitään, vaan sen arvo on siirrettävä käytäntöön. Paras arkiesine siihen on yhä tuttu punnus. Siksi metallisen kilon varjelu jatkuu.

Kilon poikkeamat lasketaan kuitenkin uuden vaa’an avulla. Se on varmasti maailman tarkin. Sitä kutsutaan wattivaa’aksi tai Kibblen vaa’aksi sen kehittäjän Bryan Kibblen mukaan.


Heinonen esittelisi Kibblen vaa’an, jos sellainen olisi Mittatekniikan keskuksessa tai lähettyvillä. Niin hienovarainen ja mutkikas se on, että täydellisiä Kibblen vaakoja on maailmassa ehkä kuusi tai seitsemän, Heinonen arvioi. Englanninkielinen video kertoo, miten Kibblen vaaka toimii.

Kibblen vaaka täyttää huoneen tilan ja näyttää ulospäin hyvin mutkikkaalta.

Sen periaate on sama kuin perinteisissä vaakakupeissa. Kibblen vaa’an toinen puoli mittaa sähköisesti punnusta. Mittaus määrittää ensiksi punnuksen painon magneettikentässä olevan kelan avulla.

Planckin vakio tuodaan mittaukseen sähköiseltä puolelta. Siinä käytetään kvanttifysiikan ilmiöihin perustuvia mittatikkuja. Näiden kvanttinormaalien avulla tutkijat pääsevät Planckin vakioon.

Mittaukseen vaikuttaa jopa se pohjaveden määrä, joka on maaperässä Kibblen vaa’an alla. Myös Auringon ja Kuun asemat on huomioitava, kun punnusta mitataan.

Lopulta mittatieteilijä näkee, kuinka kuinka lähellä punnuksen massa on yhtä kilogrammaa Planckin vakion avulla laskettuna.

Kilon tarkkuus ulottuu tässä tarkkuustyössä niin moneen desimaaliin, että Planckin vakiota tarkempaa tuskin tarvitaan. Koska perusteena on universaali luonnonvakio, kilon määritelmä voi kestää täältä ikuisuuteen.

Suomeenkin rakennetaan ehkä joskus Kibblen vaaka. Siihen tarvitaan hyvin kylmiä kvanttinormaaleja. Niiden tutkimus Mittatekniikan keskuksessa on maailman huippua. Nyt Otaniemessä kehitetään valokuiduilla ohjattavaa jännitteen kvanttinormaalia.

Tarkkuudessa on siis otettu iso askel, mutta yllätys, yllätys.

Kilon punnuksen asema ei juuri horju. Sitä käytetään painon vertailuun myös 2020-luvulla ja varmaan siitä eteenpäin.

Mittatieteilijät vain tarkistavat aika ajoin punnuksen poikkeaman luonnonvakiosta.

Aiemmin vertailu muihin kiloihin on tehty noin kymmenen vuoden välein. Nyt se tehdään vertaamalla kilon mallikappaleita Kibblen vaa’alla.


Sama tuttu punnus on siis yhä kilon virallinen mitta niille yrityksille, jotka työkseen tarkastavat kauppojen digivaakoja ja teollisuuden mittalaitteita.

Kaupan digivaa’assa pitäisi lain mukaan olla merkintä siitä, milloin vaaka on viimeksi tarkistettu ja kalibroitu.

Loppuiko kilon viilailu nyt sitten tähän? Mitä vielä.

”Menemme nyt kohti sadan ja kymmenien grammojen tarkkaa toteutusta. Näitä kiloa pienempiä mittoja tarvitaan maailmassa yhä enemmän”, sanoo Heinonen.

Esimerkiksi lääke- ja elektroniikkateollisuus tarvitsevat pieniä ja tarkkoja mittoja.

”On parempi määrittää hyvin pienet massat räätälöidyllä Kibblen vaa’alla ilman välivaiheita. Se parantaisi mittatarkkuutta.”

Tällainen tarkkuus tuo lisää säästöjä. Heinosen mukaan on laskettu, että teollisuuden ja terveydenhuollon kaikista kuluista 10–15 prosenttia johtuu mittauksista.

Ota kaikki irti Hesarista
HS Digillä saat kaikki Hesarin digisisällöt käyttöösi

Fakta

Kilo synnytettiin Pariisissa 1795


 1700-luku pauna oli yleinen mitta Euroopassa. Sen paino kuitenkin vaihteli maasta ja jopa kylästä toiseen.

 1795 Ranskan akatemian paino- ja mittakomissio päätti, että massan yksikön perusta on kuutiodesimetri tislattua vettä, joka on nollan celsisusasteen lämpötilassa. Veden lämmöksi muutettiin myöhemmin neljä astetta, koska siinä veden tiheys on suurin.

 1799 Uusi kilogramman prototyyppi tehtiin alkuaine platinasta.

 1879 Kilogramman mallikappale uusittiin platinan ja iridiumin seoksesta.

 1899 Uusi mallikappale määritti virallisesti kilon. Sitä säilytetään yhä kansainvälisen paino- ja mittatoimiston (BIPM) tiloissa lähellä Pariisia. Kilosta tehtiin kymmeniä kopioita, joista numeron 23 sai Suomen suuriruhtinaskunta.

 Tutkijat havaitsivat pian, että kopioiden ja prototyypin välillä on hyvin pieniä mutta mitattavia eroja. Niitä on seurattu näihin päiviin vertaamalla niitä Pariisin kappaleeseen.

 2005 Kansainvälinen paino- ja mittakomitea suositteli, että kilogramma ei saisi perustua kappaleeseen. Tutkijat alkoivat etsiä uutta keinoa määritellä kilo.

 2010 Kilon uuden määritelmän perustaksi otettiin Planckin luonnonvakio.

 2018 Yleinen paino- ja mittakonferenssi päätti, että kilo määritellään lukkoon lyödyn Planckin luonnonvakion avulla.

 2019 Metrisopimuksen vuosipäivänä 20. toukokuuta 61 valtiota siirtyi kilon uuteen määritelmään.

Kommentit

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Ei vielä nimellä kirjoitettuja kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    • Juuri nyt
    • Päivä
    • Viikko
    1. 1

      Katajanokan alta paljastui mysteerirakennelma: Vedessä on piilossa sata metriä holvikaarta, joka on kuin suoraan keskiajalta

    2. 2

      Kenenkään leikit eivät jää huomaamatta – Tällaista on lauttasaarelaisessa päiväkodissa, jossa osa ”erityisen ihanista” lapsista tarvitsee erityistä tukea

      Tilaajille
    3. 3

      Saksassa ainakin kymmenen ihmistä on kuollut ampumisissa kahdessa vesipiippu­kahvilassa, poliisin mukaan epäilty ampuja on kuollut

    4. 4

      Ihmiset ahdistuvat silloinkin, kun siinä ei ole järkeä, sanoo psykiatrian professori – Hän kertoo vastalääkkeen, joka auttaa, kun koronavirus tai terrori-iskut tunkeutuvat mieleen

      Tilaajille
    5. 5

      Jatkuva nahistelu miehistä, naisista ja sukupuolirooleista alkaa uhata uskottavuuttani kasvattajana

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Osa ihmisistä kävelee ”istuma­kävelyä”, joka voi aiheuttaa kipuja niskassa asti – Fysio­terapeutti neuvoo kolme liikettä, joilla kävelystä tulee ryhdikästä ja sulavaa

      Tilaajille
    2. 2

      Lähes joka toinen kiinalainen on nyt karanteenissa: HS:n kuvakooste näyttää aavekaupungeiksi muuttuneet metropolit

      Tilaajille
    3. 3

      Mies kasasi pihalleen romua, jätettä ja jopa puolikkaita junanvaunuja – Kuvat näyttävät, miten ympäristöä turmeltiin vuosien ajan

    4. 4

      Kauniista kodista tuli elämää suurempi statusviesti, ja siksi moni sulkee ovensa vierailta – Tätä on kotihäpeä

      Tilaajille
    5. 5

      Kimi Räikkönen teki sen taas: erottuu formulakuljettajien yhteiskuvassa hilpeästi edukseen

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Lumeen hukkuva Lappi pidättää hengitystään – Mitä lähiviikkoina tapahtuu?

      Tilaajille
    2. 2

      HS vietti vuorokauden Helsingin maineikkaimmalla huolto­asemalla, ja kello 1.06 pöytään nukahti työntekijöille tuttu mies

      Tilaajille
    3. 3

      ”Nyt multa meni pata jumiin” – HS:n haltuunsa saamat ääni­viestit paljastavat, kuinka luistelu­valmentaja Mirjami Penttinen raivoaa nuorille luistelijoille

      Tilaajille
    4. 4

      Neljä vuotta sitten Peter Vesterbacka sai illallisilla idean, joka ei koskaan toteudu – HS:n erikoisartikkeli kertoo kaiken Tallinnan-tunnelista

      Tilaajille
    5. 5

      Kuinka paljon pidemmälle kansanedustajat voivat väkivallan ihannoinnissa vielä mennä?

    6. Näytä lisää