El quilo deixa de ser un objecte pesant

Una fórmula matemàtica substituirà el patró físic del pes tal com es coneixia fins ara

Al llarg d’una bona part de la història de la humanitat, l’home ha sigut la mesura de moltes coses, si no de totes. Les longituds es dividien en peus, pams i unitats més petites derivades de la mà humana. Hi havia altres mesures igual d’idiosincràtiques. Durant segles els comerciants mediterranis van utilitzar el pes dels grans del blat o de l’ordi per definir les unitats de massa. La lliura romana, precursora de l’actual, equivalia a 1.728 síliqües (quirats), cadascuna de les quals corresponia al pes d’una llavor de garrofer (possiblement perquè, erròniament, es pensava que la seva massa era menys variable que la de les llavors d’altres espècies). La magnitud d’unitats que tenien noms similars també podien diferir. El pied du roi (peu de rei), utilitzat a França durant gairebé 1.000 anys després que Carlemany l’introduís cap al 790 dC, era, amb 32,5 cm, un centímetre més curt si fa no fa que el peu belga, usat a Anglaterra fins al 1300. El talent era la massa d’aigua que calia per omplir una àmfora (aproximadament 28 kg), però entre les versions grega, egípcia i babilònia hi havia uns quants quilos de diferència. Dins d’un mateix país tampoc hi havia acord sobre aquestes coses. A França, on no hi havia un sistema de mesura unificat d’àmbit nacional, la situació era especialment complicada. La lieue (llegua), per exemple, oscil·lava entre els poc més de 3 km i els 6 km, al sud.

Encara que John Wilkins, un anglès, va proposar per primera vegada un sistema de mesura decimal el 1668, van ser els francesos, plens d’afany revolucionari, els que el 1799 el van convertir en llei. Els patrons del metre i el quilogram van ser degudament forjats en platí sòlid, i, tot i que Napoleó es burlava de les noves unitats, en va sortir el Sistema Internacional d’Unitats (SI o sistema mètric, com se’l coneix àmpliament) i es va convertir en la mesura oficial a tots els països, excepte Birmània, Libèria i els Estats Units. Ara el Comitè Internacional de Pesos i Mesures (BIPM) de París ha acordat aplicar al sistema mètric el canvi més radical que ha experimentat mai.

En una reunió que va tenir lloc ahir a Versalles, la Conferència General de Pesos i Mesures va aprovar una resolució que comportarà que quatre de les set unitats del SI bàsiques, incloent-hi el quilogram, segueixin les altres tres, incloent-hi el metre, i siguin redefinides a partir del valor de constants físiques. Cadascuna de les constants escollides s’han mesurat d’una manera extremadament precisa. A més, representen característiques fonamentals de l’univers que no s’espera que canviïn (almenys segons l’escala temporal que probablement concernirà la raça humana). Això significa que a partir del 20 de maig del 2019 les constants quedaran fixades per sempre en els valors establerts. Llavors qualsevol laboratori del món serà capaç de mesurar, per exemple, la massa d’un objecte amb tota la precisió que li permeti l’equipament de què disposi.

Canvis invariables
El 1967 la redefinició del temps, en la forma del segon, va portar al replantejament actual. En comptes de vincular el segon a la rotació de la terra al voltant del seu eix, el segon ara es defineix a partir del tic-tac d’un rellotge atòmic de cesi que no s’endarrereix ni s’avança més d’un segon en 1,4 milions d’anys. Aquest rellotge es basa en microones, sobre les quals se sap que, a una freqüència de 9.192.631.770 Hz, fan saltar els electrons entre dos nivells d’energia concrets, coneguts com els nivells hiperfins de l’estat fonamental del cesi. Les microones estan sintonitzades a aquesta freqüència i a les pulsacions usades per mesurar un segon de temps, igual que les oscil·lacions regulars dels cristalls de quars s’utilitzen per calibrar els rellotges electrònics.

La candela, una unitat de mesura de la intensitat lluminosa basada originàriament en la brillantor de la flama d’una espelma, es va redefinir el 1979 per basar-la en la brillantor d’una font de llum a una freqüència específica en la zona verda de l’espectre, aquella a què l’ull humà és més sensible. El 1983 va ser el torn del metre, que es va definir en virtut del fet que la llum viatja a una velocitat fixa en el buit (299.792.458 metres per segon). Ara ha arribat l’hora de redefinir les unitats de massa (quilogram), corrent (amper), temperatura (kelvin) i quantitat de substància química (mol) perquè, en teoria, també es puguin reproduir en qualsevol moment i en qualsevol lloc.

El canvi és molt significatiu en el cas del quilogram, físicament definit per un cilindre de platí iridiat que es guarda sota diverses campanes protectores en un soterrani del BIPM de París. Conegut com el prototip internacional del quilogram, o Le Grand K, es va fer el 1889 perquè tingués aproximadament la mateixa massa que el lingot original de l’època napoleònica. El problema és que al llarg dels anys la massa de les sis còpies oficials ha variat una mica respecte a la de Le Grand K. No se sap per què, però com que les còpies han canviat és probable que la massa de l’original també ho hagi fet. I com que Le Grand K és el patró respecte al qual es mesuren les còpies, no té sentit preguntar-se si ha guanyat pes o n’ha perdut. D’altra banda, malgrat totes les mesures de seguretat, hi ha la possibilitat remota que el prototip fos robat, o que fos destruït, igual que va passar amb la iarda estàndard imperial quan el Palau de Westminster de Londres es va incendiar el 1834, amb la qual cosa no hi hauria cap mesura oficial.

Com s’equilibra la balança
La nova definició del quilogram converteix Le Grand K en una relíquia de museu. El protagonisme recau en un aparell anomenat balança de Kibble, anteriorment coneguda com la balança de Watt però que el 2016 es va rebatejar amb el nom del seu inventor, Bryan Kibble, del Laboratori Nacional de Física del Regne Unit.

La balança de Kibble mesura una massa comprovant la quantitat d’energia que es necessita per equilibrar el seu pes amb l’ús de forces electromagnètiques. La quantitat d’energia requerida per mesurar 1 kg dependrà d’un valor conegut com la constant de Planck, que es representa amb la lletra h. Aquesta constant és un número provinent de l’estrany món de la física quàntica, que, per exemple, relaciona l’energia d’un fotó de llum amb la seva freqüència.

Per equilibrar totes les balances de Kibble del món cal mesurar primer la constant de Planck utilitzant una massa de referència coneguda com Le Grand K. És el que han fet científics de tot el món en una sèrie de proves complicades, que inclouen posar una massa en un plat suspès sobre un fragment de filferro dins del que es coneix com un camp magnètic ambiental. Quan s’aplica el corrent adequat en una espiral de filferro unit al plat es genera un altre camp magnètic, que interactua amb el camp ambiental per produir una força ascendent que equilibra exactament el pes de la massa. El corrent que flueix a través del filferro és fàcil de determinar amb precisió, però la força del camp magnètic ambiental no. Mesurar això implica retirar la massa, desconnectar el corrent i moure l’espiral a una velocitat fixa pel camp ambiental. Aquest moviment indueix un voltatge que travessa el filferro i està directament relacionat amb la força del camp magnètic ambiental. Aquest voltatge, com el corrent, es pot mesurar de manera exacta. Com que tots dos estan relacionats per la constant de Planck, això permetrà que els científics li trobin un valor convingut.

Inici del canvi: 20 de maig del 2019
Està previst que aquest valor es fixi el 20 de maig del 2019, i a partir d’aquest dia qualsevol laboratori que disposi d’una balança de Kibble podrà determinar la massa d’un objecte sense recórrer a Le Grand K o als seus semiclons. Hi ha una certa ironia en el fet que una constant que ha sorgit de la mecànica quàntica, famosa pel seu principi d’incertesa, comporti d’ara endavant una certesa més gran en els mesuraments de la massa.

Amb l’amper, el kelvin i el mol es faran uns esforços semblants, que es relacionaran, respectivament, amb la càrrega elemental ( e ), la constant de Boltzmann ( k ) i la constant d’Avogadro ( N {-A} ). Igual que la constant de Planck, aquests valors es fixaran l’any vinent, tal com es va establir a Versalles. Els que necessitin determinar aquestes coses, doncs, poden mesurar un corrent comptant electrons individuals (cadascun amb una càrrega, e ) que passen per un punt concret en un circuit; la temperatura d’un conjunt de molècules calculant-ne la velocitat mitjana (i, per tant, l’energia tèrmica), i la quantitat de substància determinant el nombre de partícules (normalment àtoms o molècules) que la componen. L’aparell per fer aquests mesuraments està a disposició dels experts en la matèria amb prou recursos per adquirir-lo.

No obstant això, els que esperen perdre una mica de pes sense esforç abans de les festes com a conseqüència d’aquests canvis tindran una decepció. Com que per determinar la constant de Planck es va utilitzar el prototip del quilogram, no hi haurà cap diferència entre el quilo nou i el quilo vell.

EDICIÓ PAPER 15/12/2018

Consultar aquesta edició en PDF