El cilindre de platí i iridi que es conserva a Sèvres deixarà de ser el patró de referència
Protegit per una campana de vidre, un cilindre de platí i iridi descansa des de fa 130 anys a la petita -i famosa- ciutat de Sèvres, a uns catorze quilòmetres de París. És el quilogram patró, la referència mundial per calibrar qualsevol balança i per comparar qualsevol pes.
Aproximadament cada quaranta anys, s’ha extret el cilindre per calibrar patrons similars que s’han repartit per diversos llocs. Així s’evitava que per tenir un quilogram exacte tothom s’hagués de desplaçar al Bureau International des Poids et Mesures de Sèvres (Oficina Internacional de Pesos i Mesures).
Del 13 al 16 de novembre s’ha celebrat a Versalles la 26a Conferència General de Pesos i Mesures. I no només s’ha jubilat el cilindre, sinó que també altres formes d’establir unitats de mesura.
El naixement del metre
Entre finals del segle XVIII i principis del XIX, diversos investigadors van mesurar amb gran exactitud el tram entre Dunkerque i Barcelona del meridià de París. Va ser tota una aventura que el científic rossellonès Francesc Aragó va narrar en les seves memòries. L’objectiu era establir amb precisió una longitud que permetés definir el metre com a mesura universal, com s’havia proposat des del segle XVII. Així, el metre seria la deumilionèsima part del quadrant terrestre, prenent com a referència aquest meridià que passa per París.
Per tenir una referència clara, es va fabricar una barra d’un aliatge de platí i iridi. La longitud entre dues marques de la barra era un metre exacte. Era el 1889 i la barra es conserva a Sèvres.
Més d’un segle després, per definir el metre ja no calia enviar expedicionaris pel planeta, sinó que es podia fer en el laboratori. El metre es va definir com la velocitat que recorre la llum en un 299.792,458è de segon -és a dir, en 1/299792,458 segons. Era el 1983 i la unitat de longitud depenia d’un fet físic i no d’un patró de metall.
Però, quant era exactament un segon? La unitat de temps es va definir el 1967 en relació amb les oscil·lacions de la radiació de l’àtom de cesi.
Constants físiques
Ara sembla que ha arribat l’hora de canviar novament les definicions. El Sistema Internacional d’Unitats serà reformat. El metre i el segon, com hem vist, ja tenen una definició complexa però exacta, que es pot establir en el laboratori. També la té la candela, la unitat d’intensitat lluminosa, que es defineix amb termes que no tothom coneix, com estereoradiant.
En total, les unitats bàsiques són set. I les quatre que falten canviaran la forma en què es defineixen. El quilo, l’amperi, el kelvin i el mol es definiran d’acord amb constants físiques que tots els científics coneixen i que són un referent immodificable -per això s’anomenen constants.
El quilogram, per exemple, es definirà en relació amb la constant de Planck. Es tracta d’un valor relacionat amb oscil·ladors microscòpics, amb la seva energia i amb la radiació que emet un cos. Ens estalviem més detalls i només afegirem que porta el nom en honor del físic alemany Max Planck, un dels pares de la mecànica quàntica i qui la va proposar.
L’amperi, simbolitzat A, és la unitat SI de corrent elèctric. Es defineix en prendre com a valor numèric fixat de la càrrega elemental (constant e) 1.602176634·10-19 quan s’expressa en C, que és igual a A·s, on el segon es defineix en termes de ΔνCs
Aquesta redefinició evita que l’amperi es defineixi a través d’un sistema experimental de caràcter ideal. Ara fa que la càrrega de l’electró adopti un valor fix en termes d’unitats de SI. Per contra, passen a tindre un valor flotant en aquestes unitats tres altres constants: la permeabilitat del buit, la permitivitat del buit i la impedància d’espai lliure.
El kelvin, simbolitzat K, és la unitat SI de temperatura termodinàmica. Es defineix en prendre com a valor numèric fixat de la constant de Boltzmann (constant k) 1.380649·10-23 quan s’expressa en J·K-1, que és igual a kg·m2·s-2·K-1, on quilogram, metre i segon es defineixen en termes d’h, c i ΔνCs
Aquesta redefinició evita que el kelvin s’hagi de definir a través del triple punt de l’aigua. La nova definició fa que la constant de Boltzmann tingui un valor fix en termes d’unitats de SI. La constant de Boltzmann vincula l’energia cinètica de les partícules a la temperatura.
El mol, simbolitzat mol, és la unitat SI de quantitat de substància. Un mol conté exactament 6.02214076·1023 partícules elementals. Aquest nombre és el valor numèric fix de la constant d’Avogadro, NA, quan s’expressa en la unitat mol-1 i és anomenada nombre d’Avogadro.
Aquesta redefinició evita que el mol es fonamenti en la massa atòmica del carboni-12 expressada en quilograms. Converteix en un valor fix la constant d’Avogadro que vincula nombre de partícules amb quantitat de substància. Per contra passa a adoptar un valor flotant la constant de massa molar.
La candela, simbolitzada cd és la unitat SI d’intensitat lluminosa en una determinada direcció. Es defineix en prendre com a valor numèric fixat de l’eficàcia lluminosa d’una radiació monocromàtica de freqüència 540·1012 Hz (Kcd) 683 quan s’expressa en la unitat lm·W-1, que és igual a cd·sr·W-1 o a cd·sr·kg-1·m-2·s3, on quilogram, mentre i segon es defineixen en termes d’h, c i ΔνCs
Aquesta definició no fa més que remarcar la dependència de la candela respecte del quilogram, del metre i del segon, a través de la relació entre la freqüència electromagnètica i la intensitat lluminosa.
L’objectiu de tot plegat és que els científics puguin determinar amb facilitat les unitats i desenvolupar tècniques més precises. Qualsevol investigador podrà fer-ho. I s’evitaran possibles problemes, com ara que el pes del patró variï, per exemple, perquè s’hi acumulin impureses.
Aquestes noves definicions entraran en vigor el 20 de maig del 2019.
font: cem, dídaclopez, ccma.cat,