Adiós al kilogramo como lo conocíamos
Por: The New York Times
Noviembre 2018
Fotografia: Matt Roth para The New York Times
Un prototipo de kilogramo K4, a la izquierda, hecho en 1889 de la misma aleación de platino-iridio almacenada como el prototipo internacional del kilogramo. El prototipo de kilogramo K102, a la derecha, fue hecho en 2013.

Desde 1889, Le Grand Kilo, un cilindro elegante de platino-iridio, ha reinado desde su bóveda subterránea en París. El objeto, un monarca absoluto, era la referencia exacta para saber cuánto pesa un kilogramo de masa. Científicos de todo el mundo hacían peregrinajes para verlo y llevaban consigo sus estándares nacionales del kilogramo para comparar los pesos.

"La nave nodriza no se equivoca nunca", dijo Robert Vocke Jr., químico en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Maryland.

Pues ya no es as√≠. El 16 de noviembre, en un peque√Īo centro de conferencias a unos pasos del Palacio de Versalles, varias decenas de pa√≠ses votaron a favor de derrocar a Le Grand Kilo y redefinir el kilogramo y otras¬†tres unidades est√°ndar de medici√≥n: el amperio, para la corriente el√©ctrica; el kelvin, para la temperatura, y el mol, que describe la cantidad de una sustancia qu√≠mica. La votaci√≥n hace realidad un sue√Īo del siglo XVIII. De ahora en adelante, las siete unidades en el Sistema Internacional de Unidades, tambi√©n conocido como el SI, ya no se definir√°n seg√ļn objetos materiales; se establecer√°n solo mediante constantes abstractas de la naturaleza.

"Este arco de la historia comenzó antes de la Revolución francesa y ahora creo que hemos concluido el ciclo", comentó Stephan Schlamminger, físico del NIST. La "democratización de las unidades", dijo, ahora se ha completado.

El SI se originó a finales del siglo XVIII solo con el metro y el kilogramo. La idea era estandarizar las unidades básicas de comercio y medidas científicas. Después de todo, para que un kilogramo de monedas de oro tenga un valor universal, todos tienen que llegar a un consenso sobre la definición exacta de un kilogramo.

Para 1875, diecisiete naciones habían firmado el Tratado de la Convención del Metro en París, que estableció estándares internacionales para el metro y el kilogramo. El metro se definió como la distancia entre dos marcas en una barra hueca de platino-iridio. El kilogramo estándar era Le Grand Kilo. Ambos artefactos se almacenarían bajo llave en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, con copias distribuidas a varios países.

"La gente decía que era 'para todas las épocas y todos los pueblos'", comentó Schlamminger.

Pero no era as√≠. Un objeto f√≠sico podr√≠a rayarse, astillarse o incluso destruirse. Los cient√≠ficos comenzaron a so√Īar con unidades est√°ndar de medici√≥n que fueran siempre constantes, con definiciones basadas en los elementos del universo.

El metro alcanz√≥ ese nivel en 1983, cuando se redefini√≥ en t√©rminos de la velocidad universalmente constante de la luz. Los cient√≠ficos hab√≠an estimado la velocidad de la luz durante siglos, pero no fue sino hasta la d√©cada de los setenta, tras experimentos que involucraban l√°seres en un vac√≠o, que pudieron establecer un n√ļmero: exactamente 299.792.458 metros por segundo.

El metro se defini√≥ seg√ļn esa cifra, como la distancia recorrida por un rayo de luz en exactamente la 1/299.792.458 parte de un segundo. (El segundo, otra unidad fundamental, se ha definido desde 1967 como la cantidad de tiempo que le toma a un √°tomo de cesio-133 vibrar 9.192.631.770 veces). En efecto, un metro ya no necesitaba medirse; ahora pod√≠a conjurarse seg√ļn se necesitara, "se realizaba", para utilizar un t√©rmino de la metrolog√≠a.

El declive del kilogramo

In 1990, los metrólogos descubrieron que Le Grand Kilo se había vuelto misteriosamente más ligero que sus seis copias oficiales por casi 50 microgramos. El estándar del kilogramo estaba en problemas. La misión para redefinirlo comenzó.

A lo largo de los a√Īos, dos posibilidades se presentaron: medir la masa exacta de un kilogramo en t√©rminos de la fuerza electromagn√©tica requerida para levantarlo o en t√©rminos del n√ļmero espec√≠fico de √°tomos en su masa. Sin embargo, tal como el metro antes de 1983, ninguna de esas definiciones vinculaba al kilogramo con constantes fundamentales.

El vínculo apareció en la forma de la constante de Planck, que convierte la longitud de onda macroscópica de la luz a la energía de fotones individuales de luz. Sin embargo, solo los experimentos bien ejecutados podían proporcionar cifras acordadas para esas constantes y hacer que esas unidades fueran reales para siempre.

"Si no puedes hacer eso, tu definición no sirve", dijo Robinson.

Un método para redefinir el kilogramo surgió de una iniciativa para revisar el amperio, la medida estándar de medición para la corriente eléctrica. En 1975, a Bryan Kibble, físico en el Laboratorio Nacional de Física (NPL) en Londres, le encargaron el poco envidiable trabajo de mejorar un instrumento llamado la balanza del amperio. El dispositivo podía medir la corriente eléctrica en términos del peso, pero de manera deficiente.

"Era espantoso trabajar con ella", dijo Anne Kibble, cient√≠fica retirada del NPL y viuda de Bryan Kibble, quien muri√≥ en 2016. Kibble so√Īaba con un aparato distinto, que recibi√≥ el nombre de balanza de Kibble despu√©s de su muerte, y que elimin√≥ muchas de las fuentes de imprecisi√≥n y errores que plagaban a la original.

"Todas las cosas complicadas desaparecieron", dice Robinson, que trabajó de cerca con Kibble. Juntos, construyeron la primera balanza de Kibble, llamada NPL Mark I, en la década de los setenta.

Casi al mismo tiempo, unos físicos en otra parte del mundo descubrieron dos nuevos efectos mecánicos cuánticos, que vincularon la constante de Planck con el voltaje eléctrico y la resistencia. El instrumento de Kibble, inventado como una manera de medir la corriente eléctrica en términos del peso, sin quererlo también se convirtió en una manera de medir la constante de Planck.

Al igual que con los experimentos que medían la velocidad de la luz, en cuanto la constante de Planck se midiera con precisión extrema y se llegara a un consenso al respecto, el papel de la balanza de Kibble podría revertirse con el fin de definir un kilogramo en términos electromagnéticos.

El proyecto Avogadro

Casi al mismo tiempo, a cientos de kilómetros al este, Horst Bettin, físico del
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Alemania, estaba trabajando para representar el kilogramo de una manera muy distinta: contando √°tomos.

En efecto, Bettin había creado un experimento que mediría de manera precisa la constante de Avogadro, que determinó que un mol de una sustancia contiene 6,022140857 × 10^23 partículas como electrones, átomos, iones o moléculas. La cifra de Avogadro se había calculado pero, al igual que la velocidad de la luz, jamás se midió de manera precisa ni se llegó a un consenso al respecto. (Hasta ahora, la constante de Avogadro se ha redefinido como el valor 6,02214076 × 10^23).

De manera crucial, la constante de Avogadro y la constante de Planck se entrelazaron en las leyes de la física. Después de haber medido la constante de Avogadro, Bettin pudo derivar la constante de Planck. Además, con una medida precisa de la constante de Planck, pudo validar los resultados del trabajo de Kibble y viceversa.

Un heredero al trono

No obstante, el kilogramo no podía redefinirse sino hasta que los científicos hubieran derivado la misma respuesta para las constantes de Planck y de Avogadro con siete decimales.

"Lo que llamamos 'medición' en realidad es un estimado", dijo Schlamminger. "Básicamente puedes calcular cuál es el valor verdadero. El valor real solo lo conoce el universo".

Ese logro tom√≥ veinte a√Īos. En 2008, el NPL elimin√≥ la iniciativa de la balanza de Kibble y le vendi√≥ el instrumento al Consejo de Investigaci√≥n Nacional de Canad√° (NRC). Para 2014, las balanzas de Kibble del NIST y el NRC produjeron n√ļmeros para las constantes de Planck y de Avogadro que concordaron con los resultados del trabajo de Bettin.

La votación del 16 de noviembre cementa los valores de las constantes de Planck y de Avogadro, y libera al kilogramo de su forma material. Las cuatro nuevas definiciones -para el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol- entrarán en vigor oficialmente después del Día Mundial de la Metrología, el próximo 20 de mayo. La transición solo cobrará efecto en las fronteras de la ciencia y la tecnología; el mundo cotidiano no se dará cuenta.

"No deben notarlo, porque si lo hacen, no hemos hecho bien nuestro trabajo", comentó Robinson, del NPL.

Le Grand Kilo se unir√° a su contraparte, la barra del metro, en los archivos de la metrolog√≠a. Bettin se retirar√° el siguiente a√Īo. A Schlamminger ahora le interesa la gran G, la constante gravitacional universal.

"Si nos encanta medir cosas, hay muchísimas cosas que pueden medirse en el mundo", comentó.

 

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