Кілограм (позначення: кг, kg) є основною одиницею маси в Міжнародній системі одиниць (SI). Це одна з семи фундаментальних одиниць, на яких побудована вся система вимірювань, що використовується в науці, техніці, промисловості та торгівлі у всьому світі. Розуміння сутності кілограма та його визначення має критичне значення для точності та відтворюваності вимірювань у всіх сферах людської діяльності.

Історичний розвиток визначення

• 1799 рік: перше визначення кілограма як маси одного кубічного сантиметра води при температурі плавлення льоду
• 1889 рік: створення платиново-іридієвого прототипу кілограма
• 2019 рік: перехід на нове визначення через стала Планка

Історично, концепція кілограма виникла під час Великої французької революції наприкінці XVIII століття, коли була зроблена спроба створити раціональну та універсальну систему мір. Спочатку кілограм визначався як маса одного кубічного дециметра (літра) чистої води при температурі її максимальної густини (близько 4 °C) та стандартному атмосферному тиску. Однак таке визначення виявилося непрактичним для реалізації з високою точністю через залежність густини води від температури, тиску та чистоти.

Тому в 1889 році було прийнято нове визначення. Кілограм став масою специфічного фізичного об'єкта – Міжнародного прототипу кілограма (МПК, часто неофіційно званого "Le Grand K"). Це циліндр, виготовлений зі сплаву 90% платини та 10% іридію, який зберігався в особливо контрольованих умовах у Міжнародному бюро мір і ваг (BIPM) у Севрі, Франція. Офіційні копії цього прототипу були розповсюджені в національні метрологічні інститути по всьому світу для калібрування національних еталонів маси.

Протягом понад століття МПК слугував основою для визначення кілограма. Однак з часом стало очевидним, що цей підхід має суттєві недоліки. Порівняння МПК з його офіційними копіями, що проводилися періодично, показали незрозумілий дрейф маси – різницю в десятки мікрограмів. Хоча ці зміни здаються незначними, вони є неприйнятними для сучасної науки та технологій, що вимагають дедалі вищої точності. Більше того, сама ідея визначення фундаментальної одиниці через унікальний фізичний артефакт, який може бути пошкоджений, зруйнований або чия маса може змінюватися з часом через поверхневе забруднення чи втрату атомів, суперечить принципу універсальності та стабільності наукових одиниць.

Ці проблеми стимулювали наукову спільноту до пошуку нового, більш стабільного та універсального визначення кілограма, заснованого на фундаментальних константах природи – величинах, які вважаються незмінними в усьому Всесвіті. Після десятиліть досліджень та розробок, 20 травня 2019 року набуло чинності революційне перевизначення кілограма.

Сучасне визначення кілограма базується на фіксації числового значення сталої Планка (h), фундаментальної константи квантової механіки. Стала Планка тепер має точно визначене значення: h = 6.62607015 × 10⁻³⁴ Дж⋅с (джоуль-секунда), що еквівалентно кг⋅м²⋅с⁻¹. Оскільки одиниці метр (м) та секунда © вже визначені через інші фундаментальні константи (швидкість світла у вакуумі та частоту випромінювання атома цезію-133 відповідно), фіксація сталої Планка дозволяє точно визначити одиницю маси — кілограм.

Практична реалізація нового визначення кілограма здійснюється за допомогою двох основних експериментальних методів. Перший — це ваги Кіббла (раніше відомі як ват-баланс), надзвичайно точний прилад, який врівноважує механічну потужність (виміряну через масу, швидкість та гравітацію) з електричною потужністю (виміряною через напругу та струм за допомогою квантових ефектів Джозефсона та квантового ефекту Холла). Оскільки електричні величини в цьому експерименті пов’язані зі сталою Планка, ваги Кіббла дозволяють реалізувати кілограм на основі її фіксованого значення. Другий метод — це так званий «авогадрівський підхід», який полягає у надзвичайно точному підрахунку кількості атомів у ідеально виготовленій кремнієвій сфері масою приблизно 1 кг, використовуючи значення сталої Авогадро, яка також тісно пов’язана з фундаментальними константами.

Перехід до нового визначення кілограма має величезне значення. Він звільняє науку від залежності від фізичного артефакту, забезпечуючи універсальність та довгострокову стабільність одиниці маси. Тепер кілограм може бути реалізований у будь-якій належно обладнаній лабораторії світу, а не лише шляхом порівняння з МПК. Це відкриває шлях до подальшого підвищення точності вимірювань маси, що є критично важливим для розвитку фундаментальної фізики, матеріалознавства, фармацевтики, нанотехнологій та багатьох інших галузей. Кілограм, як фундаментальна одиниця, лежить в основі багатьох похідних одиниць (як-от ньютон, джоуль, паскаль), і його стабільне визначення зміцнює всю систему SI. Таким чином, сучасне визначення кілограма є важливим кроком у забезпеченні надійної та універсальної основи для наукових і технологічних вимірювань у XXI столітті.