La mort de "Le grand K"

No recorde en quin curs van ensenyar-me aquesta definició quan anava a l'escola, però recorde perfectament al meu professor de Física excitat quan ens parlava del Sistema Internacional i ens llegia aquelles definicions que semblaven incomprensibles.

Imatge generada per ordinador de "Le grand K"
custodiat dins del BIPM a París
Imatge lliure de drets CC - Font: Wikipedia

El patró de quilogram és l'únic patró del Sistema Internacional d'unitats que encara es troba definit per un artefacte, anomenat pels francesos com "Le grand K", materialitzat com un cilindre fet d'un aliatge de platí i iridi amb unes dimensions tals que la seua massa es correspon amb la d'un decímetre cúbic d'aigua a la seua màxima densitat (4 ºC), i que es troba custodiat dins del BIPM a París.

La resta de patrons es defineixen mitjançant constants físiques i propietats invariables dels àtoms, que no canvien amb el temps o les condicions en què es fan les mesures. Però pareix que, després de més d'un segle, a "Le grand K" li ha arribat el seu final. 

Prototip de quilogram patró al NIST
Imatge de domini públic CC - Font: Wikipedia

Aquest patró té limitacions i planteja molts problemes, perquè cal conservar-lo, revisar-lo, i fer rèpliques del mateix per a distribuir-lo per altres llocs del món, amb la incertesa en les mesures de massa que tot allò comporta. A més a més, es pot furtar, perdre, deteriorar, etc. De fet, s'ha demostrat que aquest patró pot perdre àtoms fàcilment o absorbir molècules de l'atmosfera que li envolta, i s'ha comprovat que algunes d'aquestes rèpliques oficials han guanyat, almenys, 50 μg durant l'últim segle. Pot ser que 50 μg no importen massa quan comprem 200 g de pernil en el supermercat del nostre barri, però quan es tracta d'experiments físics i químics amb masses molt petites aquests 50 μg poden arruïnar tot el treball.

Una altra rèplica de "Le grand K"
al National Physical Laboratory
Imatge propietat de Andrew Brooks - Pinterest

Fa temps que la CGPM i la comunitat científica de tot el món tracta d'establir una nova definició d'un patró per al quilogram, que es base en una constant física i, per tant, es puga reproduir en qualsevol lloc sense necessitar d'una rèplica material del qual es troba custodiat al BIPM.

Però, quant pesa un quilogram?

Dos projectes competeixen per aquesta nova definició de patró per a la massa: el defensat pels americans, anomenat projecte Avogadro, i un altre basat en la mecànica quàntica i la constant de Planck.

El projecte Avogadro

Esfera de 93,75 mm de diàmetre per al Projecte Avogadro
Imatge lliure de drets d'autor CC

Aquest projecte per a definir el nou quilogram consisteix a fixar el valor del nombre d'Avogadro (que, per a aquells que els agraden els valors exactes, té un valor revisat en el 2017 de 6,022 140 78 (15) · 10²³ mol⁻¹ amb una incertesa relativa de 2,4·10⁻⁸), per a després materialitzar la unitat de massa mitjançant una esfera de silici, quasi perfecta pel que fa a la seua geometria i composició isotòpica, i amb unes característiques dimensionals determi-nades amb gran exactitud.

Concretament, es determina el volum ocupat per l'esfera i per cadascun dels seus àtoms, i finalment, mitjançant el nombre d'Avogadro, es determina la seua massa.

Actualment, els científics alemanys del Institute for Crystal Growth han aconseguit produir un cristall únic de silici, de la més gran puresa i perfecció. D'aquesta peça de cristall es faran dues esferes d'un quilogram cadascuna per als estudis posteriors.

World's Rounded Object!

Un vídeo sobre el Projecte Avogadro i el patró de quilogram

La constant de Planck

Balança de Watt del NIST (National Institute of
Standards and Technology) als Estats Units
Imatge lliure de drets CC - Font: NIST

Es tracta d'un projecte de tipus electromagnètic, en què es compara i estableix una relació entre l'atracció gravitacional i una força electromagnètica, mitjançant la constant de Planck (de nou i només per als curiosos, el valor revisat per a aquesta constant és de 6,626 070 40 (38)  · 10⁻³⁴ J·s amb una incertesa relativa de 5,7·10⁻⁸) i utilitzant l'anomenada balança de Watt, que mesura l'energia necessària per a generar una força electromagnètica que equilibre l'acció gravitatòria d'un quilogram de massa.

Els científics fa molts anys que fan experiments amb aquesta balança, un instrument molt complicat, de les quals és necessari fabricar més per a comparar que les mesures donen resultats idèntics.

Sembla que la nova definició de quilogram es basarà en aquest últim mètode, almenys així ho ha comunicat a Londres el físic Michael Stock en representació del BIPM, amb motiu d'una reunió convocada per la Royal Society per avaluar els progressos en aquest tema.

La data prevista per a l'entrada en vigor d'aquest nou patró per al quilogram serà al voltant de maig de 2019, per la qual cosa "Le grand K" té les hores comptades, i passarà a convertir-se en només un petjapapers molt car i amb una bonica història darrere.