A definição de quilograma mudou para sempre. Entenda o que isso significa
Por 130 anos, um pequeno e cilíndrico pedaço de metal, composto 90% de platina e 10% de irídio, serviu como o protótipo internacional do quilograma.
Isso significa que esse objeto físico, alojado em um depósito subterrâneo de Paris e conhecido como “Le Grand K”, era a medida usada para definir todos os outros quilogramas do planeta.
O problema é que não era uma boa medida. Se contaminantes microscópicos no ar levassem o Le Grand K a ficar um pouco mais pesado, o próprio quilograma ficava mais pesado. Se uma limpeza rigorosa ou um pequeno arranhão fizesse com que se tornasse um pouco mais leve, o quilograma idem.
De fato, estima-se que, ao longo de sua vida, o Le Grand K tenha perdido 50 microgramas de massa. E foi exatamente por isso que os cientistas resolveram que precisavam de uma outra forma de medir o quilograma – uma que não se alterasse com o tempo ou o ambiente.
A redefinição
Não é de hoje que os cientistas vêm discutindo o assunto – a decisão foi tomada em novembro do ano passado, na 26ª Conferência Geral de Pesos e Medidas em Versalhes, na França. Delegados de 60 países reuniram-se para o voto histórico. Foi unânime.
Finalmente, a partir desta segunda-feira (20), o quilograma será definido não por um objeto, mas por uma propriedade fundamental da natureza conhecida como constante de Planck.
Como a velocidade da luz, o valor da constante de Planck não pode flutuar. “Ao contrário de um objeto físico, uma constante fundamental não muda”, esclarece Stephan Schlamminger, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA. “Agora um quilograma terá a mesma massa se você estiver na Terra, em Marte ou na galáxia de Andrômeda”.
Para deixar registrado, a maioria de nós dificilmente notará a mudança. Um quilo de frango ou tomate no mercado permanecerá exatamente o mesmo. Para a ciência, no entanto, a nova definição representa um importante ponto de virada para a humanidade. “A capacidade de medir com precisão crescente é parte do avanço de nossa espécie”, complementou Walter Copan, diretor do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia.
A história da ciência da medição
As origens do sistema métrico remontam à Revolução Francesa no final do século XVIII. Na época, estima-se que 250.000 diferentes unidades de medida estavam sendo usadas na França, tornando o comércio um desafio. O sistema foi concebido para ser racional e universal, com unidades baseadas em propriedades da natureza, em vez de decretos reais.
“A ideia era que essas medições seriam eternas e iguais para todos, em todos os lugares”, explica Ken Alder, historiador da ciência da Universidade Northwestern (EUA).
A unidade fundacional do sistema era o metro, que deveria ser um décimo de milésimo da distância do Polo Norte ao equador ao longo do meridiano de Paris. Os cientistas cometeram um pequeno erro em suas medições na época, e o metro ficou cerca de 2 milímetros mais longo do que deveria. O quilograma foi definido como a massa de 10 centímetros cúbicos de água a 4 graus Celsius.
Essas unidades foram adotadas pela República Francesa em 1795, embora, na prática, as pessoas continuassem a usar suas próprias medições locais por décadas. Países da Europa e da América do Sul adotaram o sistema métrico ao longo do século XIX.
Em 1875, representantes dos EUA e 16 outros países assinaram o Tratado do Metro em Paris, concordando em adotar tal sistema universal de unidades baseado no metro, no quilograma e no segundo (este calculado com base no tempo médio que leva para a Terra completar uma única rotação em seu eixo), a fim de simplificar o comércio entre as nações.
O problema dos objetos físicos
Embora o metro e o quilograma tenham sido baseados no tamanho da Terra, foram oficialmente definidos por artefatos de metal, incluindo o Le Grand K, fundidos em Londres em 1889 e mantidos em um cofre no porão do recém-criado Escritório Internacional de Pesos e Medidas em Sevres, na França. Os países membros receberam uma de 40 réplicas precisas.
O Tratado do Metro também estabeleceu a Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (CGPM), um grupo internacional encarregado de estudar e votar mudanças propostas para unidades de medida para todos os estados membros.
A CGPM aprovou mais três unidades básicas em 1954 – o ampere para corrente elétrica, o kelvin para temperatura termodinâmica e a candela para intensidade luminosa.
Em 1967, o segundo foi redefinido baseado nas oscilações de um átomo de césio-133, um cálculo muito mais preciso e confiável do que a rotação ligeiramente oscilante da Terra.
E, em 1983, o metro se tornou a primeira unidade métrica ligada a uma propriedade fundamental do universo quando foi redefinido como a distância percorrida pela luz no vácuo.
Constante de Planck
Agora, chegou a vez do quilograma. Os metrologistas ansiavam por atualizar sua definição desde o início dos anos 1900, mas a capacidade de medir a constante de Planck com a precisão necessária só foi alcançada recentemente.
A constante de Planck é um número que relaciona a energia e a frequência da luz, mais ou menos como o número Pi relaciona a circunferência e o diâmetro de um círculo.
Os avanços tecnológicos que fixaram o valor da constante vieram em trancos e barrancos. Desde a década de 1970, invenções têm permitido medições da constante, mas não com a exatidão desejada.
Em 2013, os especialistas concordaram que, para mudar a definição do quilograma, precisávamos ser capazes de medir a constante de Planck com uma precisão de 20 partes por bilhão, bem como provar que dois métodos diferentes de a medir produziriam a mesma resposta.
“Uma experiência pode ter um defeito oculto, mas se você tem duas abordagens absolutamente diferentes e elas concordam entre si, então as chances de você estar completamente errado são realmente muito baixas”, ilustra Ian Robinson, pesquisador do Laboratório Nacional de Física do Reino Unido.
A primeira medição foi feita com uma invenção chamada de “balança Kibble”, e a segunda envolveu uma esfera de silício puro enriquecido. A esfera permitiu aos cientistas medir com precisão a constante de Avogadro, que relaciona o número de átomos ou moléculas de uma substância à sua massa. Isso, por sua vez, foi usado para determinar a constante de Planck com a ajuda de equações bem estabelecidas, servindo de verificação para os resultados da balança.
A era das redefinições constantes
Uma filosofia similar de uso de constantes fixas tem embasado novas definições de outras unidades de medida, como o mol, o kelvin e o ampere.
O mol será definido agora pelo valor da constante de Avogadro, o kelvin pelo valor da constante de Boltzmann (que relaciona a temperatura à energia), e o ampere pelo valor da carga elementar, a menor carga observável no universo.
“Todo mundo tem acesso a essas constantes fundamentais”, elucida Schlamminger. “Elas não discriminam entre ricos e pobres. Tudo que você precisa é de um pouco de física”.
Os cientistas não sabem como as novas unidades afetarão as descobertas futuras, mas é possível que afetem. Por exemplo, o segundo agora pode ser medido com tanta precisão que os pesquisadores podem detectar pequenas mudanças no campo gravitacional da Terra, uma vez que o tempo se move um pouco mais rápido quanto mais se distancia de um centro de gravidade.
O físico britânico William Thomson, conhecido como Lorde Kelvin, disse uma vez que “medir é saber”. Nossa capacidade de medir com precisão crescente, assim, nos habilita a aprender mais sobre os fundamentos do universo e da vida. [Phys]
