nos arredores de Paris, oito metros abaixo do solo em um cofre climático controlado, tem um cilindro de liga de platina de 143 anos. Com apenas 39 mm de altura, nunca foi tocada por mãos humanas. Como uma boneca russa delicada, O cilindro é enjaulado dentro de três sinos de vidro aninhados em uma sala que só pode ser acessada com três chaves guardadas por três pessoas diferentes. Em torno do objeto misterioso estão “as testemunhas”: seis cilindros” idênticos ” lançados da mesma liga de platina.embora os esforços de preservação rivalizem com os do Sudário de Turim, o cilindro não é um objeto religioso sagrado. É o protótipo Internacional de quilograma (IPK), o único e verdadeiro quilograma contra o qual todos os outros são medidos. Alojado no Pavillon de Breteuil-casa do Bureau Internacional de pesos e medidas (BIPM) – o IPK em breve perderá o seu estatuto único e tornar-se-á uma relíquia de uma era passada. Será então tão pitoresco como o metro protótipo Internacional (IPM) – uma barra de liga de platina também alojada no BIPM – que serviu como o metro oficial do mundo até 1960.em 16 de novembro de 2018, metrologistas e Políticos de 60 países do mundo se reunirão na Conferência Geral sobre pesos e medidas (CGPM) em Versalhes, França. Nada incomum lá, como a reunião se reúne uma vez a cada quatro anos para discutir orçamentos e questões em Metrologia. Mas esta reunião será especial. Os Estados-Membros votarão sobre a adopção da alteração mais radical do Sistema Internacional de Unidades (Système International, ou SI) desde a sua criação em 1960. É uma mudança que irá incluir novas definições de kelvin, ampere e mole, mas talvez mais significativamente o quilograma.cada Estado – Membro dará o seu único voto num processo que será transmitido em directo. Se a mudança for ratificada (e todos os sinais são que será), o evento marcará o fim de basear as unidades em objetos – uma prática que remonta a milênios. Ele também irá finalmente cumprir um desejo primeiramente expresso por James Clerk Maxwell, que previu que os padrões de medição poderiam de alguma forma ser definidos por constantes imutáveis da natureza.

Uma base sólida

Falando em uma reunião da Associação Britânica para o Avanço da Ciência, em Liverpool, em 1870, Maxwell disse aos delegados que “Se…desejamos obter padrões de comprimento, tempo e massa, que deve ser absolutamente permanente, temos de procurá-los não nas dimensões, ou o movimento, ou a massa de nosso planeta, mas em que o comprimento de onda, o período de vibração, e o absoluto massa dessas imperecível e imutável, e perfeitamente moléculas similares.”

com insiders vendo nenhum indício de um resultado negativo na reunião BIPM este mês, é seguro assumir que a resolução para reformar o SI vai passar sem oposição e desejo de Maxwell para padrões “absolutamente permanentes” serão realizados. O novo SI entrará oficialmente em vigor em 20 de Maio de 2019, precisamente uma dúzia (144) anos após o primeiro tratado internacional sobre Unidades de medida – A Convenção do metro – que foi assinado no mesmo dia em 1875. Mas por que é tão importante que as unidades sejam baseadas em constantes da natureza?

unidades têm sido um grampo da sociedade desde pelo menos o tempo dos antigos egípcios. Eles usaram diferentes partes do corpo humano ou objetos em seu ambiente como escalas pelas quais medir as coisas. No entanto, estes padrões poderiam ser muito diferentes de lugar para lugar. Para os filósofos naturais da Europa dos séculos XVII e XVIII, a variabilidade unitária-particularmente em comprimento e massa – tornou quase impossível comparar resultados para o mesmo fenômeno físico se tivesse sido medido em diferentes lugares.várias tentativas foram feitas para criar uma medida universal e em 1799 a França introduziu o sistema métrico, baseado em duas unidades – o metro e o quilograma. Conhecido como o metro dos arquivos e o quilograma dos arquivos, estes dois artefatos de platina foram armazenados nos Archives Nationales em Paris para definir legal e praticamente as unidades. Estes padrões foram de 90 anos até serem substituídos pelo IPM e IPK, que eram fisicamente mais difíceis e mais bem projetados.

pensamento Universal

SI unidades tornaram-se entrelaçadas na ciência. Do joule definidor de energia ao katal para medir a atividade catalítica, todas as 29 unidades SI nomeadas podem ser definidas por alguma combinação de apenas sete unidades base: o segundo, Metro, quilograma, ampere, kelvin, mole e candela. Mas à medida que a ciência se tornou cada vez mais precisa no século XX, um novo problema levantou a cabeça. Qualquer unidade baseada em algo-um objeto, experiência ou fenômeno – que não seja universal será instável.considere o segundo. Está historicamente ligada à revolução da Terra, que é definida como tendo 24 horas, onde uma hora é 60 minutos, e um minuto é 60 segundos. Mas o que acontece se a terra começar a girar mais lentamente, como está a fazer ainda que de forma tão ligeira? Um dia será mais longo, o que significa que um segundo será mais longo em termos reais também. Isso significa que um carro registrando 30 km / h será realmente viajar um pouco mais lento, uma lâmpada de 30 W será um pouco mais escurecida e, ainda mais absurdamente, o universo estará se expandindo a uma taxa diferente. se, no entanto, a noção e a duração de um segundo são mantidas, mas a rotação da Terra é removida da definição e substituída por algo que nunca muda onde e quando é medida no universo, a segunda torna-se estável. Isso foi feito em 1967, quando o segundo foi redefinido como 9,192,631,770 vezes o período da radiação correspondente à transição entre os dois hyperfine níveis do estado fundamental do césio-133 átomo, Δν (ver “Uma breve história do tempo-manter-se” por Helen Margolis).

mais Tarde, em 1983, o metro também foi redefinido, como o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299,792,458 segundos. A requintada precisão com que os cientistas têm sido capazes de medir o tempo e a distância tem beneficiado a sociedade, nomeadamente levando a sistemas de posicionamento por satélite, nomeadamente GPS.

Planck para o resgate

apesar de ter servido bem a sociedade por 143 anos, definir o quilograma em termos de um único objeto é uma noção inerentemente instável. Isso porque se o IPK se tornar mais leve ou mais pesado, mesmo por uma pequena quantidade, a massa do universo expressa em quilogramas também muda – uma proposição louca. Preocupantemente, o IPK tem mudado. Quando os metrologistas o mediram em 1988-1991, o IPK tinha uma massa em torno de 50 µg menor em média do que as seis testemunhas. Por definição, isso significa que as testemunhas ganharam uma pequena quantidade de massa de alguma forma, talvez absorvendo moléculas de ar. Mas mais provável-dado que muitas cópias nacionais do quilograma também pareciam estar ganhando massa-é que o IPK tinha perdido massa. Ou talvez tivessem todos ganho ou perdido massa, apenas a taxas diferentes.os metrologistas não viram mais nenhum desvio entre o IPK e as Testemunhas de 1991 até 2014, a última vez que as medições foram feitas. Mas o facto de não haver nenhuma deriva não significava que a massa do IPK ou as testemunhas não tinham mudado. Eles podem simplesmente estar perdendo ou ganhando massa em conjunto. E esse é o problema: não há como dizer porque a massa é sempre calibrada contra o IPK.

“com o SI revisto, não teremos que nos preocupar com essas coisas”, explica Richard Davis, um ex-chefe da Divisão de massa do BIPM, que agora é um consultor do FBI. Em vez de ser definido pela massa de um cilindro de metal, no novo SI o quilograma será baseado numa constante fundamental da física quântica.: a constante de Planck.

nomeado em homenagem a Max Planck, que desenvolveu a ideia de que a energia vem em pequenos pacotes chamados quanta, a constante de Planck, h, relaciona a energia de um quântico de radiação eletromagnética à sua frequência pela famosa fórmula E = hv. A constante de Planck é, por sua vez, ligada à massa via E = mc2 de Einstein. Atualmente, h tem um valor medido de aproximadamente 6,62607 × 10-34 m2 de s–1, mas os metrologistas agora querem fixar seu valor em pedra, com o quilograma definido em termos deste valor.portanto, será adeus ao IPK, que é um objeto fisicamente instável, e adeus à incerteza no valor da constante de Planck. “Após a redefinição, a constante inabalável de Planck é fixada a um valor, enquanto a incerteza é mais apropriadamente desviada para a massa do IPK”, diz Stephan Schlamminger, um metrologista do Instituto Nacional de padrões e Tecnologia, EUA. “E com uma constante de Tábua fixa, melhores dispositivos serão capazes de realizar um quilograma mais e mais precisamente.”

Watt você quer dizer

Para começar com o pé direito, é importante que o valor pelo qual a constante de Planck é fixo é medido de forma tão precisa quanto possível, no momento. Esta responsabilidade baseia-se em medições de dois tipos muito diferentes de experiências. O primeiro deles é chamado de equilíbrio de Kibble, anteriormente chamado de equilíbrio de watt, mas agora renomeado em homenagem ao seu inventor Bryan Kibble do National Physical Laboratory do Reino Unido, que morreu em 2016. Atualmente, apenas a França, o Canadá e os Estados Unidos possuem balanços de Kibble capazes de fazer as medições necessárias para corrigir a constante de Planck. No entanto, muitos outros estão trabalhando na construção de seus próprios equilíbrios. Como um conjunto de escalas de alta tecnologia, o equilíbrio de Kibble usa forças eletromagnéticas fornecidas por uma bobina de fio imerso em um campo magnético para equilibrar uma massa de quilograma. O equipamento permite que os metrologistas tomem valores precisos de corrente e tensão, a partir dos quais a constante de Planck pode ser derivada (ver caixa abaixo).

A Ração equilíbrio

o Que é? A balança de Kibble (ou watt) consiste em uma bobina horizontal circular de fio de comprimento, L, pendurado de um braço de uma balança. A bobina é colocada em um forte campo magnético, B, e uma corrente elétrica, I, é passada através dela gerando uma força, F = BIL, que pode ser ajustada para igualar o peso de uma massa colocada no mesmo braço da balança (mg). A massa é então dada por m = BIL / G.qual é o problema? Embora eu possa ser medido com precisão, é difícil fazer o mesmo para B E L.

então qual é a solução? Metrologistas removem a massa e movem a bobina a velocidade u no campo magnético para gerar uma tensão V = BLu. O dispositivo é chamado de balanço watt porque, ao reorganizar as duas equações, a energia elétrica (VI) é balanceada pela energia mecânica (mgu). Por outras palavras, m = VI / gu. Como u é fácil de medir e g (A aceleração devida à gravidade) é bem conhecida, os problemas com a medição B E L desapareceram.mas qual é a ligação com a constante de Planck, h? Essa é a parte inteligente. A corrente é determinada passando-a através de um resistor e usando o efeito Josephson para medir a queda de tensão resultante. Este efeito descreve o fato de que, se dois supercondutores separados por uma fina camada isolante, pares de elétrons em cada camada de casal, de modo que a radiação de microondas de frequência, f, cria uma tensão entre a camada de V = hf/2e, onde e é a carga do elétron. A resistência do resistor pode ser medida porque o fluxo de elétrons em sistemas 2D a temperaturas ultralow é quantizado, com a condutividade aumentando em múltiplos de e2/H.

então por que isso é bom para a metrologia? Até agora, um balanceamento de Kibble era medido h em unidades SI. Mas quando a definição do quilograma é alterada, o valor numérico de h será fixado em pedra, permitindo a qualquer um usar o equilíbrio para medir a massa com precisão requintada.

a segunda forma de medir h é chamada densidade de cristal de raios X (XRCD) ou o experimento Avogadro. Envolve um cristal uniforme de átomos de silício-28 que foi usinado em quase uma esfera perfeitamente redonda de 1 kg. Utilizando a interferometria óptica, os metrologistas calculam primeiro o diâmetro total – e, portanto, o volume-da esfera. Então, combinando a interferometria óptica com a análise de raios-X, eles podem calcular o espaçamento entre átomos, o volume cada ocupa, e, portanto, o número total de átomos na esfera. Finalmente, pesando a esfera, eles podem determinar a constante de Avogadro. Esta abordagem define quantos átomos ou moléculas existem em um mol de uma substância – uma quantidade bem diferente da massa, que agora irá definir o mol em si. Uma equação da Física Atômica que liga as constantes de Avogadro e Planck então permite que um valor preciso deste último seja capturado.

Laboratórios de todo o mundo têm usado estas duas técnicas diferentes para medir a constante de Planck com uma precisão extraordinária para dar um final, valor acordado de 6.626,070,150 × 10-34 kg m2 s–1, com uma incerteza relativa de apenas 10 partes por bilhão (2018 Metrologia 55 L13). Quanto à constante de Avogadro, será fixada em 6,022, 140, 76 × 1023 mol-1. E uma vez que as constantes de Planck e Avogadro são fixas, os experimentos complexos de que foram derivadas podem ser usados como padrões para medir um quilograma e uma toupeira.

impacto prático

a maneira mais fácil de explicar como isto vai funcionar é considerar o equilíbrio de Kibble. Até agora, tem sido usado para medir valores precisos de corrente e tensão que são então conectados em equações para produzir a constante de Planck. No futuro, a constante de Planck será um valor fixo e essas mesmas medições irão, em vez disso, produzir a massa no balanço. Em outras palavras, qualquer um com acesso a um equilíbrio de Kibble pode realizar um quilograma perfeito. O mesmo princípio se aplicará ao ampere e kelvin também, que no futuro será dado em termos de carga em um elétron, e, e a constante de Boltzmann, k, respectivamente. Os equipamentos projetados para medir com precisão essas constantes fundamentais agora serão virados sobre suas cabeças para perceber com precisão as unidades ampere e kelvin (ver caixa abaixo). Quanto ao Metro, segundo e candela, as suas definições serão alteradas, mas permanecerão efectivamente inalteradas.

fora da metrologia, o novo SI terá poucas consequências práticas imediatas, e passará despercebido pela maioria das pessoas. Afinal de contas, as unidades podem ser definidas de forma diferente, mas o objetivo é sempre manter o seu tamanho o mesmo. No entanto, definir o quilograma, kelvin, ampere e mole de formas inteiramente novas, baseadas em constantes da natureza, torna-os invariantes, acessíveis e práticos. Portanto, os cientistas poderão medi-los em qualquer lugar ou hora, e em qualquer escala.

“pela primeira vez, seremos capazes de medir quantidades minúsculas e enormes com a mesma precisão muito alta, porque as constantes fundamentais não se importam com uma escala”, acrescenta Schlamminger. Isto é importante. Antes de o metro ser redefinido, o comprimento só podia ser medido muito precisamente em torno de um metro. Mas desde a sua redefinição, aplicações de alta precisão como a microelectrónica beneficiaram enormemente da precisão com que podem medir a distância em escalas minúsculas.

da mesma forma, o novo quilograma permitirá que um quilograma, Grama e miligrama sejam medidos com precisão idêntica, mesmo até o ponto em que as massas atômicas serão medidas em quilogramas. Enquanto houver uma conexão experimental com a constante de Planck, a massa será capaz de ser medida. Portanto, os metrologistas estão correndo para construir balancetes de mesa e novos dispositivos que medem a massa exatamente em escalas grandes e pequenas. Assim, a nova unidade de massa e as unidades SI em geral estão finalmente aptas para o século XXI, e permanecerão por muito tempo no futuro. Como Schlamminger conclui apropriadamente: “O novo SI é uma construção de beleza e lógica.”

• Para mais informações sobre as novas definições de SI, confira os free-to-read Física Descoberta do Mundo ebook Redefinir o Quilograma e Outras Unidades do SI por Stephan Schlamminger em www.physicsworlddiscovery.org