Em Sèvres, uma pequena comuna nos arredores de Paris, encontra-se um pedaço de metal reluzente do tamanho de uma palma. Le Grand K, ou Big K como eles chamam a liga de platina e irídio, fica no subsolo em um cofre de alta segurança. Ele é mantido sob três potes de sino de vidro, e só pode ser recuperado usando três chaves separadas, cada um realizado por indivíduos diferentes.
Ao contrário das aparências, adulteração e roubo não são a maior preocupação para aqueles que guardam Big K. Em vez disso, os guardiães do artefato passaram os últimos anos preocupando-se com o fato de que a liga não está exatamente à altura da reputação que tem no século passado - que não tem mais exatamente um quilo de massa, mas microgramas mais leves.
Estar deslocado por causa do peso de um grão de areia pode parecer trivial, mas Big K é o protótipo internacional do quilograma. Em outras palavras, é o padrão ouro pelo qual todos os outros quilogramas do mundo são comparados. A menor discrepância na precisão do Big K afeta campos como a medicina, eletrônica e engenharia, setores onde medições precisas são fundamentais. Mas um quilograma flutuante também tem efeitos ondulantes sobre outros fenômenos, como a força, energia e intensidade luminosa - que a usam como alicerce para medições.
Por causa das consequências de amplo alcance que um Big K impreciso mantém, os cientistas estão agora em busca de um padrão mais confiável e estável para o quilograma - um que não se centre em uma única peça de metal. Seu objetivo:redefinir o quilograma usando um novo padrão físico até o final de 2018.
“Estamos prestes a testemunhar uma mudança revolucionária na forma como o quilograma é definido, "disse o físico Klaus von Klitzing durante uma palestra no CERN em outubro passado. Von Klitzing, que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1985, é um dos cientistas envolvidos na reforma do quilograma.
O troco, muitos argumentam, está muito atrasado. O quilograma é uma das sete unidades básicas que compõem o Sistema Internacional de Unidades (SI), o sistema de medição mais amplamente utilizado no mundo hoje. Originalmente, tanto o quilograma quanto o metro eram definidos por protótipos e o tempo era fixado pela rotação da Terra, entretanto, mais e mais unidades básicas são conectadas a quantidades físicas da natureza que permanecem as mesmas, independentemente do tempo ou localização.
Um segundo, por exemplo, é definido como o tempo que leva para o átomo de césio-133 completar 9, 192, 631, 770 períodos de radiação para uma transição especificada. Um metro costumava ser representado por uma barra de metal armazenada ao lado do Big K na França, mas agora é definido pela distância que a luz viaja no vácuo durante 1/299, 792, 458 de um segundo.
O quilograma continua sendo a única unidade SI representada por um artefato instável. Então, em 2014, membros da Conferência Geral de Pesos e Medidas, o organismo internacional que supervisiona o sistema SI, votou para redefinir o quilograma em termos de constante de Planck, uma constante fundamental da mecânica quântica.
A redefinição é muito importante, diz John Pratt, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), órgão responsável pela padronização de pesos e medidas nos Estados Unidos. A nova definição significa que podemos mudar de "uma definição de massa do século 19 para uma definição de massa do século 21 ou 22, "Pratt disse." Poderíamos obtê-lo com base em uma idéia mais do que um objeto. "
Quando o padrão ouro é instável, como Big K provou, é um "grande inconveniente, "disse Pratt. A perda de peso não contabilizada do Big K significa que seus cilindros irmãos - fundidos a partir do Big K e enviados ao redor do mundo para calibração - não são mais idênticos ao padrão ouro. Cópias do NIST, por exemplo, diferem de Big K em cerca de 45 microgramas, o peso de um cílio. Isso causou estragos há vários anos, levando a NIST reemitindo certificados para seus quilogramas, e empresas que produzem pesos com base nos padrões do NIST tendo que fabricar novos.
Redefinir o quilograma de acordo com a constante de Planck ajudará a evitar tais problemas. Contudo, os físicos precisam primeiro obter uma medida boa o suficiente da constante de Planck, o número da mecânica quântica que se relaciona como a energia de uma partícula está relacionada à sua frequência e, a E =mc2, à sua massa. Uma vez que os cientistas atribuem um valor fixo exato à constante de Planck, eles serão capazes de derivar uma nova definição para o quilograma.
Dois tipos de experimentos estão em andamento, ambos buscando medir a constante de Planck com extraordinária precisão. O primeiro é o Projeto Avogadro, liderado por uma equipe internacional de cientistas. Envolve a contagem do número de átomos em duas esferas de silício em que cada uma pesa o mesmo que Big K. Com esse número - o número preciso de átomos que compreende uma determinada substância - os pesquisadores podem calcular a constante de Avogadro, converta-o em um valor para a constante de Planck e, assim, relacione o quilograma à massa atômica.
O segundo método usa um dispositivo chamado watt, ou Kibble, Saldo. É uma espécie de escala que produz um valor para a constante de Planck medindo uma massa de teste de um quilograma, calibrado usando Big K, contra forças eletromagnéticas. A constante de Planck é proporcional à quantidade de energia eletromagnética necessária para equilibrar a massa.
Para calcular a corrente e a tensão que compõem a força eletromagnética, físicos do NIST, que estão liderando o projeto, use duas constantes universais diferentes. Uma é a constante de Josephson, enquanto a outra é a constante de von Klitzing. Foi a descoberta deste último, parte do efeito Quantum Hall, que rendeu a von Klitzing o Prêmio Nobel de Física de 1985.
Cinco anos antes, von Klitzing, do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido na Alemanha, conduziu experimentos para observar o efeito de campos magnéticos aplicados a semicondutores que haviam sido resfriados a temperaturas extremamente baixas. Ele descobriu que em seus experimentos a resistência elétrica aumentava gradativamente - uma fração inteira de um número específico, 25, 812,807 ohms, que agora é chamada de constante de von Klitzing.
O Efeito Quantum Hall, como o fenômeno é chamado, agora é usado globalmente para calibrar resistências elétricas. Os cientistas podem usar a constante de von Klitzing para medir a corrente em uma balança de watt.
"Com a ajuda de constantes fundamentais, temos a possibilidade de estabelecer unidades que necessariamente retenham seu significado para todas as culturas, mesmo sobrenaturais e humanos, "foi uma declaração visionária de Max Planck há mais de 100 anos e hoje temos a chance de concretizar essa visão. O Efeito Hall Quantum desencadeou essa compreensão.
Von Klitzing estará em Cingapura no final deste mês para participar do Global Young Scientists Summit anual. O evento de cinco dias, organizado pela National Research Foundation Singapore, visa facilitar as interações de brilhantes, jovens pesquisadores internacionais com cientistas eminentes para discutir áreas-chave da ciência e da pesquisa, inovação tecnológica e sociedade, e soluções para desafios globais.
Entre os tópicos em discussão está a reforma do quilograma. Em novembro, membros da Conferência Geral de Pesos e Medidas se reunirão em Versalhes, França, para votar sobre a nova definição para o quilograma, ao lado do ampere, Kelvin e mole. Se aprovado, os valores atualizados e fixos entrarão em vigor a partir de 20 de maio, 2019, no Dia Mundial da Metrologia.
