Fyysikot ja insinöörit rakentavat wattivaakoja ja leijuttavat kiloa magneettikentässä. Toiset tutkijat laskevat piin atomeja. Taas kerran pitää oppia punnitsemaan entistä tarkemmin. Mittaaminen on teknisen kehityksen perusta, eikä nanotekniikan aikaan istu vanha metallipunnus.


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2009

Keskiajalla tultiin toimeen karkeilla painomitoilla. Porvoon leiviskä painoi 12,5, Tukholman leiviskä 6,75 ja "oikea leiviskä" 8,5 kiloa.

Maailman teollistuessa yksiköiden kirjavuus alkoi rasittaa. Ryhdyttiin standardoimaan. Lopulta, vuonna 1889 Sèvresiin, Pariisin lähelle, talletettiin platina-iridiumpunnus, jonka massaksi sovittiin yksi kilogramma. 

Tutkijat tiesivät jo silloin, että fyysinen punnus on epätyydyttävä: sen paino muuttuu väistämättä. Pariisin kilo on hitusen muuttunut yli sadassa vuodessa. Ilman epäpuhtaudet lisäävät painoa ja pesut vähentävät. Pariisin kilo tietenkin painaa aina juuri kilon, määritelmänsä mukaan. Mutta maailman muut kilot poikkeavat siitä hieman.


Mitataan sähköisiä suureita

Mitat halutaan sitoa luonnonvakioihin. Mittanormaaleja pitää etsiä "aallonpituuksista sekä molekyylien värähtelystä ja massoista, jotka ovat järkkymättömiä, mahdottomia muuttaa ja aina samoja", kirjoitti kuuluisa fyysikko James Clerk Maxwell jo 1870.

Maxwellin ohjelma on toteutumassa. Esimerkiksi metri on pitkään määritelty valon nopeuden avulla. Mutta massa tekee yhä vastarintaa. Ratkaisua haetaan kahdesta pääsuunnasta. Ensimmäinen tapa on mitata massa sähköisesti.

Jos esimerkiksi nostetaan magneettikentän voimalla kappale ilmaan leijumaan, kulutetaan sähköenergiaa, jonka määrä riippuu nostettavasta massasta. Tällöin massa voidaan laskea mitattujen sähköisten suureiden avulla ilman vertailupunnuksia.


Periaatteessa toimii hyvin

Mittatekniikan keskus Mikes ja Valtion teknillinen tutkimuskeskus VTT ovat kehittäneet levitoivaa kiloa. Yhteistyössä on ollut mukana pietarilainen tutkimuslaitos VNIIM.

Laitteessa on suprajohtava kela ja sen yläpuolella kappale, joka sekin on suprajohtava. Kun kelaan syötetään sähkövirta, syntyy magneettikenttä, joka työntää kappaletta ylöspäin. Kun sähkövirtaa kasvatetaan, kappale alkaa leijua. Samalla kuluu tietty määrä sähköenergiaa. Energiasta saadaan lasketuksi massa.

Mittauksen periaate on selkeä, mutta luonto on toistaiseksi kieltäytynyt noudattamasta tutkijoiden kaavoja.
- Ongelmana ovat energiahäviöt, kertoo tohtori Kari Riski Mikesistä. Laitetta käytettäessä muuttuu myös magneettikenttä, jolloin suprajohteissakin syntyy häviöitä.

Häviöiden mittaaminen on osoittautunut vaikeaksi. Koska vielä ei tiedetä tarkasti, kuinka paljon energiaa laitteesta häviää, ei myöskään tiedetä tarpeeksi hyvin energiamäärää, josta massa pitäisi laskea.

Ongelmaa ratkotaan tekemällä sähköisiä mittauksia yhä hienommin, yhä pienemmässä skaalassa. Avuksi otetaan kvanttimekaniikka.


Elektronit siirtyvät yksitellen

Kvanttitason mittatikuilla eli kvanttinormaaleilla mittayksiköt saadaan sidotuksi luonnonvakioihin, jotka ovat aina ja kaikkialla samankokoisia. Punnituksessa turvaudutaan kahteen luonnonvakioon, elektronin varaukseen ja kvanttifysikaaliseen Planckin vakioon. Tätä kautta päästään käsiksi sähkövirtaan ja siitä edelleen massaan.

Mikes, Teknillisen korkeakoulun Kylmälaboratorio ja VTT ovat rakentaneet kvanttivirtalähteitä, joissa elektroneja siirretään eli "pumpataan" yksitellen - ja tästähän ei sähkövirta enää voi pienentyä
.
Isompi virta saadaan määritettyä pumppaustaajuuden ja elektronin varauksen tulona.

- Suomalaistutkijat ovat aivan maailman kärjessä sähkövirran kvanttinormaalin kehittämisessä, sanoo Mikesin sähköryhmän päällikkö, tohtori Antti Manninen.

Kahdella muulla tärkeällä sähköisellä suureella, jännitteellä ja vastuksella, on jo oma kvanttinormaalinsa. Sähkövirralle sellainen valmistunee 2010-luvulla.


Lasketaan piipallon atomit

Toinen tapa sähköisen punnitsemisen ohella on laskea kappaleen atomien määrä riittävän tarkasti. Kansainvälisessä Avogadro-hankkeessa lasketaan piin atomeja.

Jos tiedetään jossakin tilavuudessa olevien atomien lukumäärä, kilo pystytään, kuten Maxwell 1800-luvulla vaati, sitomaan "aina samoihin" massoihin.

Atomien lukumäärään päästään käsiksi mittaamalla pallon tilavuus ja jakamalla se yksittäisen atomin tilavuudella. Pallon tilavuus selviää, kun mitataan sen halkaisija tarkasti laservalolla. Röntgensäteillä taas on selvitettävissä, paljonko yksittäinen piiatomi vie kiteestä tilaa.

Ensimmäiset koekappaleet, maailman pyöreimmät pallot, tehtiin pari vuotta sitten. Ensin venäläiset materiaalitutkijat valmistivat ultrapuhdasta pii-28-isotooppia sentrifugeilla, joilla oli alun perin tuotettu ydinasemateriaalia. Sitten pii matkasi Saksaan, jossa siitä valmistettiin viisikiloinen piikide.

Kide rahdattiin Australiaan, jossa National Measurement Instituten ja tutkimuslaitos Csiron tutkijat ja hienomekaanikot hioivat siitä mahdollisimman pyöreitä yhden kilon painoisia palloja. Nyt metrologit tutkivat piipalloja laboratorioissaan.


Uteliaisuuskin kannustaa

Kansainvälisistä mittanormaaleista päättää Yleinen paino- ja mittakonferenssi CGPM, joka kokoontuu seuraavan kerran 2011 Pariisissa. Jos hyvin käy, uusi kilo otetaan käyttöön silloin. Perunoiden punnitsemiseen torilla uudistus ei vaikuta, mutta paljoon muuhun kyllä.

Nykyajan teollisuustuotteita ei olisi ilman 1800-luvulla luotua mittajärjestelmää. Mitä kaupankäynnistä olisi tullut, jos kilo Helsingissä ja Tokiossa olisi tarkoittanut eri massoja?

Vastaavasti 2000-luvun tuotteet vaativat uutta tarkkuutta. Internetissä ja kännyköissä on hyödynnetty tarkkoja kelloja - nyt massan mittaus halutaan saattaa samalle tasolle kuin ajan. Ellei mittajärjestelmää kehitetä, ei myöskään tule hienoja nanotuotteita, joita meille luvataan.

Mitä ei voi punnita, sitä ei voi valmistaakaan. Elämme niin kuin mittaamme.

On vielä yksi mahtava motiivi: inhimillinen uteliaisuus. Suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka syntyivät, kun mittaukset paljastivat vakiintuneiden käsitysten rajoitukset.


Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.



 

Sisältö jatkuu mainoksen alla