Batalha científica: químicos e físicos lutam para que um quilo seja sempre um quilo

International Bureau of Weights and Measures

Protótipo Internacional do Quilograma (IPK)

“É um escândalo que a unidade de massa ainda seja um objeto físico”. Quem o diz é William Phillips, Nobel da Física em 1997. Para o investigador, é necessário redefinir a unidade do quilograma, tornando-a “invariável” e mais “democrática”.

Durante a 26.ª Conferência Internacional de Física Atómica, que decorreu em Barcelona, o Nobel da Física mostrou ao público um peso metálico. Uma réplica do Protótipo Internacional do Quilograma (IPK), um cilindro de platina-irídio que define a unidade de massa do Sistema Internacional desde o século XIX.

“Se eu sujar isto com as minhas mãos, automaticamente todos vocês pesarão menos”, explicou, suscitando gargalhadas no público. “Isto precisa de ser arranjado“, acrescentou, realçando que “precisa mesmo”, revela o El País.

Os cientistas que estudam a medição de grandezas propuseram redefinir as unidades de medida de massa (quilograma), corrente elétrica (ampere), quantidade de substância (mol) e temperatura (Kelvin) com base em constantes da natureza, para que estas medidas não possam mais variar.

No encontro, Phillips, juntamente com o físico brasileiro Vanderlei Bagnato, explicou como chegaram até às novas definições, que esperam que entrem em vigor no próximo dia 20 de maio – data em que se assinala o aniversário do Tratado do Metro de 1875.

Quando o IPK foi criado, com a ideia de homologar o peso de um litro de água líquida, foram também criadas cópias de referência internacionais, idênticas, na teoria.

No entanto, ao tentar equilibrar os novos pesos, observou-se que as massas dos diferentes padrões de quilo – incluindo o original – variam entre si por valores inferiores a 50 microgramas (milionésimos de grama).

Desta forma, o material pode absorver átomos do ambiente. Assim como pode também perdê-los através da limpeza. Na Ciência, esta discrepância é “intolerável”, considerou Phillips, especialmente quando o quilograma serve de base para definir outras três unidades básicas do Sistema Internacional – a candela (cd), o ampere (A) e as unidades mol – e outras 17 unidades derivadas, como o newton (N) ou o joule (J).

“Novo” quilograma – invariável e democrático

Phillips trabalha no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), nos Estados Unidos, um dos centros de metrologia que participa na revisão do Sistema Internacional de Unidades.

A missão do NIST passa por encontrar uma nova definição do quilograma que não sjea apenas invariável, mas também “democrática“. Ou seja, a meta é encontrar uma medida que estivesse ao alcance de qualquer laboratório que quisesse calibrar um padrão.

“Até hoje, a única maneira de saber o verdadeiro valor do quilo é ir ao Escritório Internacional de Pesos e Medidas, na França, que apenas retirou o IPK da sua cápsulas protetora meia dúzia de vezes durante dois séculos”, atirou o Nobel da Física de 1997.

A inspiração para uma nova definição veio do metro. O metro, que também configura uma unidade básica no Sistema Internacional, passou legalmente, em 1983, de ser “o comprimento de uma barra de platina em Paris” para passar a corresponder “a distância viajada pela luz em 1 / 299,792,458 segundos”.

Esta forma de fixar medidas não é intuitiva, pois define o valor exato de uma constante da natureza, para o qual é imposto um valor numérico arbitrário baseado nas características do próprio objeto físico.

Neste procedimento, os cientistas utilizaram o protótipo aprovado – a barra de platina – para estudar a sua relação com uma constante natural: a velocidade da luz no vácuo. Sabendo exatamente a fração de segundo que a luz leva para percorrer o comprimento da barra, foram capazes de estabelecer oficialmente a velocidade da luz em 299.792.458 m/s.

“Uma constante que tem unidades não é natural”, explicou Phillips, citado pelo El País. O que é natural na velocidade da luz é que esta velocidade é a mesma para todos os observadores e para todo os espectros de luz, mas o seu valor numérico depende do que decidimos ser um metro e um segundo”.

Agora que o valor da velocidade da luz está “decidido”, o que importa é que a definição do metro nunca mais dependerá do comprimento de um objeto físico.

Qualquer laboratório com um relógio atómico pode medir a distância que os fotões percorrem nessa fração de tempo – e, assim, saber o comprimento exato da barra de platina a partir do momento em que a definição do metro foi fixada. Mesmo que o objeto seja perdido ou deformado, o metro já é atemporal.

Batalha científica: químicos versus físicos

Para imortalizar o quilo, também é necessário definir o valor numérico de uma constante natural. E é aqui que químicos e físicos “lutam” para escolher a melhor constante.

Os químicos escolheram a constante de Avogadro – que relaciona o número de átomos ou moléculas à massa de uma amostra. Já os físicos, escolheram a constante de Planck – que relaciona a energia de um fotão à frequência da sua onda.

Mais do que competir cientificamente, os dois métodos são complementares, já que o objetivo passar por alcançar um nível de precisão que permita usar cifras fixas das mesmas constantes para obter o mesmo valor numérico do quilo.

Além disso, a constante de Avogadro, que foi definida para medir a quantidade de átomos numa perfeita esfera de silício, também será usada para redefinir a mol, realça o jornal.

Há 40 anos, quando Phillips chegou ao NIST, o seu trabalho concentrou-se na medição precisa do ampere, tendo evoluído até hoje para aquilo que hoje é conhecido como escala de Watt – instrumento que equaciona a potência eletromagnética com uma potência mecânica. Aplicando-se, primeiro, uma corrente conhecida.

O procedimento de universalização do ampere pode ser replicado para o quilograma, relembra o físico. “Calculado o peso correspondente na balança, podemos obter a massa exata de um quilo, uma vez que a aceleração da gravidade é conhecida“.

“No futuro, melhores métodos podem ser desenvolvidos para levar-nos do valor da constante para o valor do quilo. E isso é lindo, na minha opinião – é como as coisas devem ser feitas “, rematou.

Seguindo o mesmo raciocínio, os especialistas que estudam a medição de grandezas desenvolveram métodos para fixar a constante de Boltzmann – que definirá o kelvin (K) – e a constante da carga elementar, que dará a definição do ampere.

O metro, a candela e o segundo já se encontram definidos por constantes físicas. Ainda em novembro deste ano, a Conferência Geral de Pesos e Medidas vai reunir-se em Versalhes, na França, para votar as mudanças propostas para o Sistema Internacional.

Depois de todo o trabalho, Phillips espera que este encontro seja “apenas uma formalidade”.