Kilogramul nu mai este definit în funcție de etalonul cilindric de platină și iridiu de la Paris ci în funcție de constanta lui Planck din mecanica cuantică. Această schimbare – o adevărată revoluție – are scopul de a fixa unitatea de măsură din sistemul internațional pentru masă fără să fie nevoie de un obiect material.
În viața de zi cu zi, o măsurătoare extrem de precisă a masei nu este necesară. Când ne cântărim sau mergem la piață o variațiune de câteva grame nu are o așa mare importanță. În anumite situații însă, precizia unei cântăriri este extrem de utilă – de exemplu în prepararea medicamentelor. Cum ne raportăm însă la masă?
Până recent, kilogramul, unitatea de măsură a masei, era raportat la un etalon material: un cilindru dintr-un aliaj de platină și iridiu cu dimensiunile de 39 de milimetri lățime și 39 de milimetri înălțime, păstrat cu mare grijă, din 1889, la Biroul Internațional deMăsuri și Greutăți (BIPM), în apropiere de Paris.
Acest kilogram material este suspus unor elemente care de-a lungul anilor i-au schimbat masa cu circa 50 de micrograme. Mai precis, în interiorul celor trei clopote de sticlă sub care este păstrat cilindrul etalon se adună praf și mizerie și se fac simțite influențe ale schimbărilor atmosferice. Toate acestea au dus, de-a lungul celor mai mult de 100 de ani de când este păstrat acolo, la o mică variațiune a masei. Prin urmare, în noiembrie 2018, oamenii de știință au decis să treacă la o nouă definiție a kilogramului, pentru care un obiect material nu mai este necesar.
La fel s-a întâmplat și cu metrul, unitatea de măsură a lungimii, care în trecut era fixat ca fiind distanța dintre două repere pe un eșalon de platină și iridiu. În 1983, metrul a fost redefinit ca fiind distanța parcursă de lumină în vid în 1/299.792.485de secunde. De atunci metrul nu mai depinde de un obiect material ci doar de constantele fundamentale ale fizicii moderne.
În cazul kilogramului, de mulți ani se dorea o astfel de schimbare, însă în acest caz situația a fost mult mai complicată. Noua definiție a kilogramului ține cont, la rândul ei, de constantele fizicii moderne, în mod special de constanta h a lui Planck, care joacă un rol fundamental în mecanica cuantică. h reprezintă unitatea naturală de acțiune (energie înmulțită cu timp) în mecanica cuantică și are o valoare extrem de mică. În Sistemul Internațional de Unități, constanta Planck este exprimată în Joule x secundă.
Noua definiție a kilogramului folosește așa-numita balanță a lui Kibble, denumită și NIST-4 (un instrument electromecanic care măsoară cu o foarte mare precizie greutatea unui obiect, grație curentului electric și voltajului necesare pentru a produce o forță de compensare – n.r.), și a fost pusă la punct de către cercetătorii de la National Institute of Standards and Technology (NIST) din Gaithesburg în Maryland, SUA.
Această balanță echilibrează greutatea unui corp cu forța generată de un curent electric, măsurată în unități a constantei lui Planck, cu ajutorul efectului Josephson și a efectului Hall cuantic, într-o bobină situată între polii unui magnet permanent. Bobina este mișcată cu o viteză constantă și se măsoară forța indusă pentru adetermina constanta de proporționalitate între forța gravitațională și cea electromagnetică. Practic, masa se măsoară cu ajutorul unui curent electric și în acest proces intră în joc constanta lui Planck.
Constanta lui Planck a fost inițial propusă de către Planck însuși pentru a explica radiația corpului negru, o mare problemă în fizica sfârșitului de secol XIX. Corpurile negre sunt obiecte ce absorb lumina extrem de eficient, fiind în fapt absorbante aproape ideale; aceste corpuri emit radiație în mod ideal, temperatura unui astfel de corp determinând distribuţia culorilor sau lungimilor de undă ale luminii emise.
Presupunerea ce a stat la baza legii lui Planck privind radiația corpului negru a fost că radiația electromagnetică emisă de către acest corp poate fi modelată cu o mulțime de oscilatori armonici cu energie cuantificată, de forma hv unde h era tocmai constanta lui Planck (orice sunet, vibraţie sau mişcare periodică este de fapt suma mai multor oscilaţii armonice. Un oscilator armonic cuantic este analogul din mecanica cuantică al oscilatorului armonic clasic și reprezintă un model fizic important pentru descrierea sistemelor oscilante microscopice – n.r.). Introducerea constantei lui Planck în fizică a reprezentat nașterea mecanicii cuantice. Astăzi, după mai bine de 100 de ani, această constantă este utilizată și pentru etalonul unității de masă, i.e. kilogramul.
Constantele fizicii fundamentale joacă deci un rol important nu doar în înțelegerea legilor Universului, ci și în fixarea unităților fundamentale de măsură pe care le folosim, fără să mai fie nevoie de obiecte materiale care, de-a lungul anilor, se pot deteriora sau pot fi distruse.
