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Agência FAPESP

19/09/2005

Quanto é uma tonelada? Fácil, são 1 mil quilos. Certo, mas quanto é 1 quilo? Ou melhor: o que é 1 quilo? Pois 1 quilograma é definido pelo Sistema Internacional de Unidades como "a unidade equivalente à massa do protótipo internacional do quilo".

Protótipo? Isso mesmo, a medida que usamos para marcar nossos pesos ou a quantidade de alimentos que compramos tem como base a massa de um cilindro. Feito de uma mistura de platina e irídio, com 39 milímetros de altura e de diâmetro, o objeto – algo físico, é bom ressaltar – é mantido no Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), em Sèvres, na França, desde 1889. Antes disso era ainda pior: o quilo era a massa equivalente a um decímetro cúbico de água à temperatura de 4,44ºC.

Cilindro metálico. Parece antiquado? Pois é mesmo. O quilograma é o único das sete unidades básicas do Sistema Internacional de Unidades ainda definido por um artefato. As outras seis são: metro (unidade de distância); segundo (de tempo); ampére (de corrente elétrica); kelvin (de temperatura); mol (de quantidade de substância); e candela (de intensidade luminosa). Todas elas são definidas em termos de propriedades da natureza e podem ser medidas por qualquer laboratório devidamente capacitado no mundo.

Cilindro metálico. Parece impreciso? Pois é mesmo. O protótipo internacional está mais leve desde que foi criado. Acredita-se que a diminuição tenha sido de 15 nanogramas (bilionésimos de um grama) – alguns chegam a dizer 50 microgramas. Parece pouco, mas o problema é que não deveria ter havido variação. A diferença certamente não terá nenhuma influência em dietas para emagrecer, mas para a física de partículas representa uma grande dor de cabeça.

Outro problema de ter um sistema de medidas baseado num objeto é deixar uma porta aberta a interpretações. Além disso, os demais países são obrigados a consultar o cilindro em Sèvres toda vez que quiserem checar seus próprios quilos. Em 1889, por exemplo, quando os Estados Unidos aceitaram o padrão internacional, tiveram que mandar representantes por três vezes à França para conferir se seus cilindros estavam corretos. Também há o risco de que algo possa ocorrer com o protótipo. Em caso de incêndio, terremoto ou queda de cometa no prédio do BIPM, lá se foi o padrão mundial.

Para evitar esses problemas, as outras unidades de medida ganharam novas interpretações, a cargo dos avanços científicos. O metro, por exemplo, foi definido no final do século 18 como a unidade de medida correspondente à décima milionésima parte da distância do Equador ao Pólo Norte.

Uma barra com a medida era mantida, também na França, como referência. Posteriormente, foi verificado que a barra era a quinta parte de um milímetro mais curta do que a equivalência geográfica implicada. Hoje, o metro corresponde à distância percorrida pela luz em um segundo dividido por 299.792.458. Nem um ponto a mais ou a menos.

Mais preciso

Os motivos do emagrecimento do quilo, ou melhor, do cilindro no BIPM, desde 1889, ainda são desconhecidos. "Embora o cilindro seja mantido em um recipiente especial em condições controladas, sua massa pode se alterar com o tempo por motivos como contaminação, perda de material por limpeza da superfície e outros", disse um comunicado do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (Nist), dos Estados Unidos. O cilindro é eventualmente removido de suas redomas para limpeza ou calibragem de padrões equivalentes de outros países.

Por conta disso, cientistas em instituições de pesquisa em diversos países têm tentado há anos encontrar uma definição confiável e baseada na natureza para substituir o tal protótipo.

O Nist acaba de anunciar um método experimental para a definição do quilo em termos de propriedades da natureza, que seria o mais preciso até o momento. O estudo, publicado na edição de outubro do periódico Metrologia, do BIPM, confirma os resultados de outro trabalho feito por pesquisadores do Nist com o mesmo método, em 1998, mas agora com uma melhoria de 40% na precisão.

A nova pesquisa chegou a um grau de incerteza da ordem de 0,052 parte por milhão. De acordo com Richard Stainer, líder do estudo, é o resultado mais preciso até o momento em todo o mundo. O cientista agora quer chegar a uma precisão de 0,02 parte por milhão no próximo ano.

Os pesquisadores do Nist utilizaram uma balança de watt, equipamento eletromagnético empregado para medições ultraprecisas – projetada especialmente para redefinir massa em termos físicos e quânticos.

Os cientistas colocaram uma massa-teste de 1 quilo no prato da balança, conectado a um rolo de cobre que envolve um eletromagneto supercondutor. Quando a corrente elétrica foi transmitida pelo rolo, forças eletromagnéticas foram produzidas para balançar o peso da massa-teste – de maneira similar à de um motor elétrico. Foram medidas, então, essa corrente e a força resultante.

Depois, ao mover o rolo verticalmente – e induzir voltagem –, foi possível medir a velocidade e a voltagem. Segundo os pesquisadores do Nist, as quatro medidas determinaram a relação entre força mecânica e eletrônica, que pode ser combinada com outras propriedades básicas da natureza para redefinir o quilograma.

Qualquer decisão sobre quando e como o quilograma será redefinido partirá do Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) e deverá ser ratificado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM). A próxima reunião da CGPM será em 2007, o que explica a corrida de laboratórios em todo o mundo para apresentar alternativas ao velho cilindro de platina e irídio.

O artigo Towards an electronic kilogram: an improved measurement of the Planck constant and electron mass, de R. Steiner, E.R. Williams, D.B. Newell e R. Liu, pode ser lido no site da revista Metrologia, www1.bipm.org/en/metrologia.