Um Quilo de Problemas

Num cofre sob um pátio perto de Paris repousa um pequeno e brilhante cilindro de metal precioso - e um grande embaraço científico. Uma vez por ano, três pessoas se juntam do lado de fora do cofre, giram suas três chaves simultaneamente e abrem o cofre. Eles vêm para verificar se o pequeno e brilhante cilindro ainda está lá. Uma vez que constatam o fato, fecham a porta, se despedem e partem - imaginando por quanto tempo a ciência terá de passar por esse ritual risível.
Podem ser apenas 39 milímetros de altura, mas o cilindro mantido trancafiado no Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM, na sigla em francês) em Sèvres, França, tem valor incalculável. Isso porque ele é absolutamente singular: o único objeto em todo o Universo que tem a massa de exatamente um quilograma
É por isso que equipes de cientistas no mundo todo estão trabalhando duro para se livrar dele. É uma garantia, mas também é inconveniente. Qualquer um que queira realmente saber quanto um quilograma pesa não tem escolha a não ser viajar a Sèvres e checar com o cilindro no cofre. Há cópias em vários laboratórios do mundo todo, mas não são exatamente a mesma coisa.
O que mais irrita os cientistas sobre o brilhante e pequeno cilindro é que ele é uma complicação a mais. Afinal, eles estão chegando à natureza fundamental do Universo, usando instrumentos de elegância transcendente. Para isso, coletam dados de precisão estonteante, expressada em termos de um conjunto de unidades belamente consistentes - elas mesmas definidas em termos de constantes fundamentais. O segundo, por exemplo, é definido como 9.192.631.770 períodos de um certo tipo de radiação emitido por átomos de césio-133. Nada mais, nada menos. As outras unidades básicas, como o metro e o ampère, são baseadas em física similarmente elegante e fundamental.
Ainda há, no entanto, uma exceção fundamental: o quilograma. Apesar de anos de esforço para encontrar uma alternativa, a definição precisa da unidade de massa - a mais básica e familiar propriedade da matéria - é nada mais fundamental do que a massa daquele pedaço de metal mantido num cofre em Sèvres. Criado em 1889 por uma liga de 90% de platina e 10% de irídio, poderia parecer bonito. Mas, para os aficionados da ciência elegante, o protótipo internacional é como um javali africano num desfile de moda.
Ainda neste ano os especialistas em metrologia, a ciência das medidas, vão se reunir no BIPM para comparar notas em seu esforço de se livrar do cilindro metálico brilhante. "De certo modo, é embaraçoso", admite Stuart Davidson, do Laboratório Nacional de Física do Reino Unido (NPL), quem tem três das cerca de 80 cópias existentes do original do BIPM. "Ficaria muito melhor se fosse uma caixa brilhante com uma porção de rios laser voando por ela".
Davidson está ansioso para substituir sua duplicata do quilograma com algo mais genuíno e confiável. Quando foram feitas, as duplicatas do quilograma eram tão perfeitas quanto humanamente possível. Elas diferiam da massa original em Sèvres por cerca de 10 partes por bilhão, no máximo. O problema é que elas não ficam assim. A cada poucas décadas, as cópias são devolvidas ao BIPM para comparação com o quilograma real. Apesar de serem feitas com o material anticorrosivo e mantidas em recipiente sem ar, a massa das cópias muda - embora a razão ainda seja desconhecida.
A última pesagem ocorreu nos anos 80. Mesmo depois da limpeza para evitar contaminação da superfície, algumas das cópias ganharam misteriosamente 20 microgramas, ou 20 partes por bilhão, comparadas ao original, desde a medição anterior , feita nos anos 40.
Essas mudanças de massa levantam uma questão ainda mais profunda sobre o protótipo internacional. Como ele é feito da mesma liga que as cópias mantidas em condições iguais, sua massa também pode mudar ao longo do tempo. Ainda assim, como ela é, por definição, exatamente um quilograma, sua massa precisa ser sempre a mesma. É um paradoxo.
É tudo muito insatisfatório, diz Davidson, mas encontrar uma alternativa está se mostrando extremamente difícil. Sonhar com novos modelos de definir o quilograma é a parte fácil. O desafio verdadeiro é encontrar modos de obter a precisão de partes por bilhão exigida - em qualquer lugar e a qualquer hora.
O primeiro estratagema, conhecido como Projeto Avogadro, já está em, desenvolvimento há três décadas, embora a idéia por trás dele seja simplicidade pura: definir um quilograma como um número fixo dos blocos e construção mais familiares, os átomos. Químicos rotineiramente medem substâncias pelo mol, que contém um número fixo de átomos. Esse número é uma constante fundamental da natureza conhecida como a constante de número de Avogadro, que é aproximadamente 600 mil bilhões de bilhões. Em teoria, definir o quilograma é só questão de juntar uma certa quantidade de substância estável cujos átomos totalizem um quilograma.
Mas, segundo Davidson, o diabo se esconde nos detalhes. Se o Projeto Avogadro pode produzir um substituto adequado para o cilindro de metal, o número de átomos num mol precisa ser definido mais acuradamente do que uns poucos décimos de partes por bilhão. E, após 20 anos de esforços dos laboratórios líderes em metrologia, a meta está longe de ser atingida.
Primeira escolha
Parecia simples demais no começo. A escolha o material estava clara. Silício era favorito, com a indústria de microchips gastando enormes volumes e dinheiro na produção dos cristais mais puros e perfeitos do material. Conhecendo a distância entre os átomos, os pesquisadores podem descobrir o volume exato de silício necessário. Quanto à forma a ser escolhida, uma esfera parecia ideal. Ela pode ser polida à lisura de escala atômica, dando um raio e um volume precisos, e não teria pontas que possam ser lascadas.
Amostras das esferas de silício que eram necessárias para um quilograma-padrão, foram feitas nos laboratórios alemães de padrões de qualidade (PTB) em Braunschweig e então transformadas nos objetos mais redondos do mundo por Michael Kenny e seus colaboradores australianos da Organização de Pesquisa Científica e Industrial em Lindfield, Nova Gales do Sul. O polimento foi até o ponto de conseguir que a maior irregularidade na superfície das esferas tivesse cerca de 500 átomos de altura, o equivalente a aplainar a Terra até que a montanha mais alta tenha dez metros.
A partir daí, a coisa toda ficou mais difícil. Apesar de ter a estrutura cristalina mais estudada entre todos os elementos, o silício conseguiu causar uma surpresa desagradável. No meio dos anos 90, as equipes da Alemanha, Itália e Japão se encontraram para comparar suas estimativas do número de átomos nas amostras de silício e, para seu horror, descobriram que a amostra japonesa tinha trilhões de átomos a menos. Investigando o interior do silício usando raios X, Richard Deslattes, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Gaithesburg, Maryland (EUA), descobriu onde eles tinham errado: os cristais "perfeitos" de silício estavam cheios de cavidades da ordem de micrômetros (milionésimos de milímetro), provavelmente criadas por bolhas de hidrogênio aprisionadas lá durante a fabricação.
A superfície imaculada das esferas também se mostrou capaz de atrair uma camada atômica de óxidos e vários contaminantes, afetando a massa e dimensão da amostra. Ninguém normalmente iria se preocupar com tais efeitos sutis, mas, se as esferas de silício substituírem o quilograma de Sèvres, suas propriedades terão de ser replicadas com máxima precisão.
Os metrologistas se orgulham de medir tudo que está acima do infinitesimal, mas o Projeto Avogadro está levando sua criatividade ao limite. Técnicas tradicionais de medição, como interferometria óptica, são precisas até alguns milhares de diâmetros atômicos, mas as exigências do projeto são de que a esfera de silício seja determinada com precisão mil vezes maior. Fazer isso exige lasers ultra-estáveis e muito cuidado. Até mudanças nas condições meteorológicas afetam as medidas: a pressão atmosférica afeta o índice de refração do ar pelo qual a luz do laser passa, de modo que as medições exigem sua execução no vácuo.
É um pesadelo metrológico, mas progressos estão sendo feitos. "No presente a incerteza relativa é de cerca de 150 partes por bilhão", diz Kenny. A meta agora é reduzir a incerteza pra cerca de 20 partes por bilhão. "Isso é exeqüível, mas de modo algum fácil", diz. "Levará anos de esforço - e milhões de dólares."
Tudo isso faz até os defensores do Projeto Avogadro acreditarem que deve haver um meio mias simples. Terry Quinn, diretor do BIPM e responsável pelo quilograma de Sèvres, compartilha a crescente convicção dos metrologistas de que o melhor candidato para substituir aquele pequeno cilindro brilhante em seu cofre está numa estratégia diferente: a balança de Watt.
A idéia básica, desenvolvida cerca de 20 anos atrás por Bryan Kibble no NPL, é definir o quilograma em termos de duas coisas que os metrologistas já podem medir muito precisamente: voltagem e resistência. Em essência, a balança de Watt é um sistema incrivelmente sensível de escalas, com o quilograma num prato e um campo eletromagnético influenciando o outro. Definir o quilograma, então, se torna uma questão de medir a força eletromagnética necessária para compensar o peso do quilograma, dividindo o resultado pela aceleração gerada pela gravidade.
Processo Traiçoeiro
Até parece que é simples. Na prática, medir a força do campo é um processo traiçoeiro que exige aparelhos quânticos de última geração para atingir a precisão necessária . O resultado seria uma definição do quilograma em termos da constante de Planck, que liga as propriedades elétricas da balança aos processos quânticos usados para medi-las.
Como no Projeto Avogadro, transformar essa idéia simples num padrão realizável está se revelando um pesadelo. A balança é assombrada por uma coleção d demônios metrológicos que vai de campos eletromagnéticos descontrolados ao efeito de marés causado pela Lua. Todas as medições precisam ser feitas num vácuo completo, isolado de perturbações externas. Depois de uma década de esforço por laboratórios de metrologia na Europa e nos EUA, a precisão da balança de Watt está agora a um fator de dez do nível necessário para substituir o quilograma de Sèvres.
Embora a balança de Watt permaneça como candidata à redefinição do quilograma, poucos a descreveriam como o paradigma da elegância. Como Quinn aponta, seria muito mais fácil se os átomos não fossem tão pequenos, a ponto de alguém precisar de uma quantidade tão grande para fazer um quilo. Isso parece descartar a idéia de simplesmente contar o número de átomos exigidos para fazer um quilograma. Ou será que não?
No início doas anos 90, Michael Glaeser no PTB teve uma idéia brilhantemente simples: criar uma corrente de átomos, coletá-los num recipiente equilibrado sobre uma balança e ver quanto tempo levaria para fazer um quilograma. Na prática é muito mais complicado que isso, mas não tanto. A idéia original de Glaeser envolvia o disparo de íons de um elemento como ouro por uma série de magnetos, para formar um raio de partículas carregadas - em outras palavras, corrente elétrica.
Glaeser e seus colegas estão agora tentando fazer sua idéia funcionar. Até agora, o maior problema tem sido criar uma corrente grande o bastante: "Começamos com íons de ouro, mas a corrente é só (da ordem) de microamps", diz Glaeser. Ele agora planeja substituir ouro por bismuto, que evapora mais facilmente quando precisa encontrar meios de reduzir a velocidade dos íons conforme eles se aproximam do coletor, para que não sejam perdidos.
Haveria algum modo ainda mais inteligente de definir o quilograma? Davidson, do NPL, certamente acha que sim. "Idealmente a definição seria tão elegante quanto as do metro e do segundo", diz. "Talvez tenhamos procurando uma resposta muito 'high-tech'. Talvez haja algo realmente óbvio que não percebemos". É uma suspeita refletida na última linha do site oficial do NPL sobre esse que é o mais irritante dos desafios metrológicos: "Qualquer idéia melhor num cartão postal, por favor".

Fonte: Instituto de Pesos e Medidas do Estado de São Paulo