După zeci de ani de cercetări inovatoare, comunitatea științifică s-a reunit în data de 16 noiembrie 2018 pentru a redefini kilogramul (kg), amperul (A), kelvinul (K) și molul (mol), patru dintre cele șapte unități de bază ale Sistemul Internațional de Unități (SI), cunoscut şi sub denumirea de sistemul metric de unităţi.

Evenimentul a avut loc în cadrul Conferinței Generale de Măsuri şi Greutăţi, ajunsă la ediţia a 26-a, care a fost găzduită de Biroul Internațional al Greutăților şi Măsurilor din Versailles, Franța.

Noile definiții pentru aceste unităţi de măsură vor intra în vigoare în data de 20 mai 2019, Ziua Mondială a Metrologiei, atunci când se sărbătoreşte înfiinţarea Sistemului Internaţional de Unităţi din anul 1875.

Prototipul kilogramului, cunoscut sub numele de “Marele K” (Le Grand K), este un cilindru protejat sub trei clopote de sticlă în cadrul Biroului Internaţional al Greutăţilor şi Măsurilor din apropiere de Paris. Acest prototip reprezintă referinţa internaţională pentru toate măsurile de masă.

Definiția kilogramului a fost revizuită

O replică a prototipului kilogramului de la Cité des Sciences et de l’Industrie din Paris, Franța. Credit: Japs/CC BY-SA 3.0.

Masa lui Le Grand K, care este fabricat dintr-un aliaj de platină-iridiu, se poate schimba în timp prin absorbția unor molecule din aer sau prin pierderea unor molecule prin curățare.

Din cauza acestor modificări incredibil de mici ale masei, prototipul kilogramului nu mai este suficient de precis pentru viitoarele cercetări avansate și aplicații tehnologice.

În ultimele patru decenii, odată cu progresele din mecanica cuantică, oamenii de știință au reuşit să măsoare unele constante fizice, precum ar fi viteza luminii și constanta Planck, cu o precizie excepțională.

Pe baza unor relaţii între aceste constante fizice și ecuațiile mecanicii cuantice, fizicienii au redefinit kilogramul, amperul, kelvinul şi molul. Noile definiții sunt de cel puțin un milion de ori mai stabile în timp decât cele stabilite pe baza unor prototipuri precum Le Grand K.

Încă din anii 1700 oamenii de ştiinţă s-au străduit să creeze un sistem de măsurare precis care să poată fi utilizând oriunde şi oricând.

Fenomenele cuantice, care sunt identice oriunde în lume, au fost deja folosite pentru a defini secunda, unitatea de măsură pentru timp, și metrul, unitatea de măsură pentru distanță.

Secunda este definită în SI ca fiind “durata a 9.192.631.770 de perioade ale radiației ce corespunde tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale ale atomului de cesiu 133 în repaus la temperatura de 0 K”, iar metrul este “distanța parcursă de lumină prin vid într-un interval de timp de 1⁄299.792.458 dintr-o secundă.”

Aceste definiții revizuite ale secundei şi metrului s-au aplicat din anul 1967 și, respectiv, din anul 1983. Ele au fost necesare odată cu inventarea sistemul global de navigație prin satelit (GPS) și a altor tehnologii moderne.

În mai 2019 se va implementa definiția revizuită a kilogramului care se va baza pe trei constante fundamentale: constanta Planck, viteza luminii și radiația naturală de microunde a atomului de cesiu.

Constanta Planck descrie mărimea cuantelor de energie pe care atomii şi alte particule le folosesc pentru a absorbi sau emite energie.

O masă de un kilogram exercită o anumită forță în gravitația Pământului.

Noua definiție a kilogramului înlocuieşte măsurarea acestei forței mecanice cu măsurarea unor mărimi electromagnetice legate de constanta Planck, fiind bazată pe curentul electric și tensiunea electrică.

Folosind un instrument de măsură denumit balanţa Kibble, după numele inventatorului Bryan Kibble, un curent electric este generat într-o bobină pentru a produce un câmp magnetic suficient de puternic pentru a echilibra o masă de un kilogram.

Această metodă necesită o măsurare de precizie a gravitației locale, care variază în funcție de altitudine și de alți factori. De asemenea, este necesară deplasarea bobinei printr-un câmp magnetic de o intensitate cunoscută și cu o viteză cunoscută, ceea ce înseamnă că definiţia kilogramului va depinde de constantele utilizate pentru determinarea timpului şi frecvenţei.

În mod similar, nouă definiţie a amperului în SI se va baza pe constanta referitoare la sarcina electrică a electronului.

Nouă definiţie a kelvinului se va baza pe măsurarea nivelelor de energie ale atomului și va depinde de constanta Boltzmann, care stabileşte legătura dintre energia unui obiect şi temperatura acestuia, constanta Planck şi constanta corespunzătoare frecvenței radiaţiei atomului de cesiu.

Noua definiţie a molului se va baza pe o valoare mai precisă a constantei lui Avogadro.

Sursă: Sci-News