de Andrei Dicu şi Sorin Dumitrescu
De-a lungul vremii, am învățat să măsurăm dimensiunile fizice cu o precizie tot mai mare. Totuși, am ajuns în situația în care vechile definiții din Sistemul Internațional de Unități nu ne mai satisfac, deoarece erorile din vechile etaloane sunt mai mari decât precizia cu care putem măsura. Din acest motiv, a fost necesar ca definițiile să fie schimbate și să fie raportate la constante universale.
Distanța, calculată în comparație cu meridianul terestru
Până la apariția sistemului metric, domnea haosul. În Franța, de exemplu, fiecare breaslă avea propria sa unitate de măsură pentru lungime. Această situație punea probleme nu doar pe plan intern, ci și în domeniul comerțului internațional. Fiecare țară avea propriile unități de măsură și asta i-a afectat chiar și pe oamenii de știință, din momentul în care au început să realizeze experimente cantitative tot mai rafinate. De exemplu, metrul era măsurat în comparație cu o parte dintr-un meridian terestru. Problema era că... la acea vreme, nimeni nu măsurase lungimea acestui sfert de meridian terestru! Sarcina rezolvării problemei au primit-o doi geodezi renumiți, Pierre-Francois Mechain și Jean-Baptiste Delambre, care timp de şapte ani au folosit metoda triangulației sferice, pentru a determina distanța dintre Dunkuerque și Barcelona.
România a aderat la Convenția Metrului în 1883
La 7 aprilie 1795, Adunarea Națională din Franța a dat „Decretul referitor la greutăți și măsuri”. Pe lângă definirea unităților de lungime, suprafață și volum, s-a introdus o unitate de măsură pentru masă: gramul. Acesta era „greutatea unui volum de apă pură dintr-un volum egal cu cel al unui cub cu latura de o sutime de metru și la temperatura de topire a gheții”. Problema standardizării metrului și a kilogramului a durat până la Convenția din 1875. România a aderat la această convenție în 1883, prin „Legea pentru aderarea Regatului României la Convenția Metrului din 20 mai 1875”. În 1889, la prima Conferință Generală pentru Măsuri și Greutăți, s-a trecut la definirea metrului în raport cu lungimea unui aliaj compus 90% din platină și 10% iridiu, realizat la temperatura de
0 grade Celsius. Același lucru s-a întâmplat și cu kilogramul, care a devenit masa unui etalon realizat din același aliaj, de forma unui cilindru care are înălțimea și diametrul egale cu 39 mm. Pasul către standardizare a fost hotărâtor. De atunci, Sistemul Internațional este folosit pe întreaga planetă și în cadrul său șapte elemente sunt considerate fundamentale: metrul, kilogramul, secunda, amperul, kelvinul, molul și candela.
Secunda, eterna problemă
Inițial, pentru definirea unității de timp, secunda, s-a optat ca aceasta să reprezinte fracția de 1/86.400 din durata unei zile solare medii. Instrumentele de măsurare a timpului au arătat că ziua solară medie nu are o valoare constantă, deci nu poate fi folosită pentru a obține etalonul pentru timp. Din acest motiv, în 1952, s-a propus legarea secundei de durata anului tropic din 1900. Anul tropic reprezintă intervalul de timp dintre două treceri ale Soarelui mijlociu prin punctul echinocțiului de primăvară. Propunerea a fost acceptată și s-a decis ca secunda să fie fracția de 1/31.556.925.9747 din durata anului tropic din 1900. Nici această nouă definiție a secundei nu era satisfăcătoare. În 1955, fizicienii britanici Louis Essen și Jack Parry au realizat un ceas atomic care avea o eroare de numai o secundă, la 300.000 de ani. Un ceas atomic se bazează pe măsurarea frecvenței radiației emise de un atom, atunci când unul dintre electronii săi trece între două niveluri de energie bine precizate. Ceasurile atomice au evoluat și în prezent ele ajung să aibă o eroare de numai o secundă la 15 miliarde de ani. Din acest motiv, s-a considerat că ele sunt cea mai bună soluție pentru etalonul de timp. În 1967, s-a dat o nouă definiție pentru secundă, ca fiind „durata a 9.192.631.770 de perioade ale radiației corespunzătoare tranziției între două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133”. În privința metrului, lucrurile păreau simple. Există un etalon concret, realizat dintr-un aliaj de platină și iridiu, încă din 1889. Însă nu există nicio metodă pentru detectarea modificării lungimii etalonului, produsă de îmbătrânirea materialului din care este executat sau de deteriorarea lui în urma folosirii sale în condiții neadecvate. Drept consecință, se poate spune că metrul din 1889 este nesigur.
Constanta Planck, un factor hotărâtor
Și kilogramul etalon, așa cum a fost el definit în 1889, are aceleași probleme ca metrul. În 2011, s-a decis analizarea posibilității de a redefini kilogramul prin raportarea sa la o constantă universală, constanta Planck. Aceasta, notată cu „h”, face legătura dintre energia și frecvența undei electromagnetice asociate unui foton. Formula este E=hf, unde E reprezintă energia, iar f este frecvența undei asociate fotonului. Pe de altă parte, Albert Einstein a arătat relația dintre masă și energie prin celebra formulă E=mc2. Din aceste două formule se deduce că putem găsi o relație între masă și constanta Planck. Rămânea să determinăm valoarea acestei constante. Cercetătorii au folosit un instrument special, numit „Balanța lui Kibble”, care realizează echilibrul cu ajutorul forței electromagnetice. Noua definiție a kilogramului a fost adoptată la 16 noiembrie 2018 și sună astfel: „Ca unitate de măsură a masei, kilogramul are exact mărimea care duce la valoarea inițială a constantei Planck”.
Amperul, molul și gradul Kelvin au suferit modificări
De asemenea, avem o nouă definiție pentru amper, care este legată de sarcina electronului, și o nouă definiție pentru mol, care ține de numărul lui Avogadro. Există o nouă definiție pentru gradul Kelvin, legată de așa-numita constantă a lui Boltzman, precum și o nouă definiție pentru candelă, legată de intensitatea energetică a unei radiații monocromatice cu o frecvență foarte mare. Toate aceste noi definiții au intrat în vigoare la 20 mai 2018 și avem de a face cu o adevărată revoluție în ceea ce privește unitățile de măsură. De acum înainte, ele vor fi raportate la mărimi fundamentale valabile oriunde, în Univers.
Talleyrand, politicianul vizionar
Au existat mai multe propuneri pentru adoptarea unui sistem de unități de măsură universal. Primii pași concreți au fost făcuți în 1790, când episcopul d’Aautun, devenit mai târziu celebrul personaj istoric „Talleyrand”, a adresat un memoriu în care argumenta necesitatea unui astfel de sistem. El solicita lansarea de negocieri cu parlamentul britanic, pentru ca ambele mari puteri ale vremii să adopte împreună un asemenea sistem de unități de măsură. Englezii au refuzat propunerea, astfel că Adunarea Națională a decis, la 16 februarie 1791, înființarea unei comisii pentru a stabili o bază pentru noile unități de măsură. S-a decis ca noul sistem de măsură să fie zecimal și că la baza lui ar trebui să stea lungimea pendulului care bate secunda la o latitudine de 45 de grade, un sfert din lungimea cercului ecuatorial sau lungimea unui sfert din meridianul terestru. La 26 martie 1791, Adunarea a oferit definiția metrului, care reprezenta a zecea milioana parte dintr-un sfert de meridian terestru.