Ciencia e innovación

El kilogramo cambia para siempre. ¿Qué es lo que debes saber?

Desde las balanzas de baño hasta las balanzas de los laboratorios médicos, el estándar de masa ahora se basa en un valor que está "tejido en la tela del universo".Tuesday, May 21, 2019

Por Maya Wei-Haas
Este cilindro es una réplica exacta del Prototipo Internacional del Kilograma o del IPK. Almacenado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland, esta copia en particular es la base de todas las calibraciones de peso en los Estados Unidos.

Sellado bajo un trío de campanas de vidrio anidadas, un cilindro de metal reluciente se encuentra en una caja fuerte con temperatura controlada en las entrañas de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres, Francia. Apodado Le Grande K, o Big K, este solitario pedazo de platino e iridio ha definido la masa en todo el mundo durante más de un siglo, desde balanzas de baño hasta balanzas de laboratorios médicos.

Pero eso está a punto de cambiar

El 16 de noviembre de 2018, representantes de más de 60 países votaron durante la 26ª reunión de la Conferencia General sobre Pesas y Medidas en Versalles, Francia, para redefinir el kilogramo.

Ahora, ese cambio finalmente se lleva a cabo. En lugar de basar la unidad en este objeto físico, a partir de ahora, la medida se basará en un factor fundamental en la física conocido como la constante de Planck. Este número infinitesimalmente pequeño, que comienza con 33 ceros después de su punto decimal, describe el comportamiento de los paquetes de luz elementales conocidos como fotones, en todo desde el parpadeo de la llama de una vela hasta el brillo de las estrellas en lo alto.

"Esa constante fundamental está entretejida en el tejido del universo", dice Stephan Schlamminger, líder del equipo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología que, junto con una cohorte internacional de científicos, trabajó para refinar la constante de Planck para redefinir del kilogramo. Lo más importante es que este valor seguirá siendo el mismo para todos los tiempos, sin importar la ubicación.

Un cambio masivo

El kilogramo es una de las siete unidades base en el Sistema Internacional de Unidades, que define todas las demás medidas. (Las otras seis unidades básicas son el metro, el segundo, el mol, el amperio, el Kelvin y la candela). Es fácil pasar por alto la importancia de las unidades, pero estos siete forman la base de todo en nuestro universo. Aseguran la estabilidad en la fabricación, en el comercio, en la innovación científica y más.

El sistema métrico, que más tarde se convirtió en el Sistema Internacional de Unidades, fue concebido a fines del siglo XVIII como una forma de hacer mediciones "algo para todos los tiempos, para todas las personas", dice Schlamminger. La esperanza era simplificar la vida cotidiana en un mundo donde aventurarse en una ciudad diferente significaba la posibilidad de tener que aprender un sistema diferente de medidas.

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Muchas de estas unidades métricas tempranas se basaron en cosas de la naturaleza, explica  Richard Davis, físico emérito de investigación de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, la organización que regula todo lo relacionado con la medición. Pero al final, estos demostraron ser poco prácticos de usar. Por ejemplo, el metro se definió como 1/10.000.000 la distancia desde el Polo Norte al ecuador, pasando por París. El kilogramo era la masa de un litro de agua destilada en su punto de congelación.

"Simplemente no tenían la tecnología o la ciencia para tener éxito", dice Davis. Entonces, en junio de 1799, se forjaron dos estándares de platino, una vara de metro y un cilindro de kilogramo, que marcaron la creación del sistema métrico decimal. Para aumentar su estabilidad, los prototipos se reforjaron en 1889 con una aleación de platino-iridio y se guardaron bajo llave.

Sin embargo, esta dependencia de los objetos físicos también tenía sus problemas. "Un objeto material no será para siempre", dice Schlamminger. Las tazas de café se rompen, la ropa se desgasta, las tuberías se oxidan. Además, guardados en una caja fuerte, estos objetos ciertamente no son "para todas las personas".

En el siglo intermedio, estos objetos físicos han sido reemplazados uno a uno por constantes fundamentales. El kilogramo fue el que se resistió.

Años de pérdida de peso

Salvo por su inaccesibilidad, el Big K hizo el trabajo. Los científicos forjaron una serie de copias para uso de investigadores de todo el mundo. Solo tres veces en sus casi 130 años, los investigadores sacaron el Big K de su caja fuerte para comparar el precioso cilindro con sus doppelgängers.

Pero con cada una de estas comparaciones, los científicos se preocuparon cada vez más: el Big K parecía estar perdiendo peso.

Comparado con sus copias, el pequeño cilindro parecía cada vez más liviano. Eso, o sus copias se fueron haciendo cada vez más pesadas. Es imposible decir que, el Big K, por definición, es exactamente un kilogramo. Incluso si alguien lo recortara, el Big K aún pesaría un kilogramo, y los kilogramos en todo el mundo tendrían que ajustarse.

En total, la masa de Big K difiere de sus copias en aproximadamente 50 microgramos, casi la masa de un grano de sal. Y aunque esto no parezca mucho, es un problema tremendo para los campos exactos como la medicina. Para colmo, esta pérdida no solo afecta a la masa, también afecta a cualquier otra unidad, como el Newton, que se define en relación con la masa.

¿Cómo está pasando esto?

Para resolver esta pérdida de peso, la Conferencia General sobre Pesos y Medidas aprobó por unanimidad una resolución en el 2011 para redefinir el kilogramo y tres unidades adicionales: el amperio, el kelvin y el Mol — basados en “invariantes de la naturaleza”. Desde entonces, los científicos de todo el mundo han corrido para encontrar una solución.

Surgieron dos posibilidades diferentes para el kilogramo, ambas relacionadas con la constante de Planck. El primero se basa en algo conocido como el balance de Kibble. Es un poco como la clásica balanza de péndulo, que es, en esencia, una barra con una bandeja colgante de cada lado. Para medir el peso de algo, coloca una masa conocida en un lado y el objeto de interés en el otro. Gracias a la fuerza gravitatoria, puedes decir cuánto pesa ese objeto en relación con la masa conocida.

Sin embargo, para una balanza Kibble, una de estas bandejas se reemplaza esencialmente con una bobina en un campo magnético. Y en lugar de usar una fuerza gravitacional para equilibrar la masa, usa una fuerza electromagnética. Al comparar una masa con aspectos de esta fuerza electromagnética, los científicos pueden hacer mediciones exactas de la constante de Planck.

La otra solución se basa en crear otro objeto reluciente: una esfera perfecta de silicio cristalino-28. Esta idea se basa en una constante conocida como el número de Avogadro, que define que la cantidad de átomos en un mol es aproximadamente de 602.214.000.000.000.000.000.000. Al contar el número de átomos en una esfera de silicio que es exactamente 1 kilogramo, los científicos pueden calcular el número de Avogadro con extrema precisión. Que luego se puede convertir a la constante de Planck. 

El valor final de la constante de Planck es inimaginablemente pequeño: 0.000000000000000000000000000000000662607015 metros cuadrados-kilogramos por segundo.

La espera terminó

Con los dos métodos, los científicos ahora pueden medir un kilogramo con una incertidumbre de una parte en 100.000.000, una diferencia que es aproximadamente un cuarto del peso de una pestaña, dice Schlamminger. "Eso es lo que está en la ciencia: la perfección no existe", dice. "Siempre hay efectos aleatorios, y siempre hay un poco de dispersión. Y tienes que decidir: ¿es lo suficientemente bueno? El voto unánime de noviembre sugiere que esto es suficientemente bueno.

El cambio entró en vigencia el 20 de mayo, en el Día Mundial de la Metrología. "No verás ningún cambio en nuestra vida diaria", dice Davis. Pero de una forma u otra, todas las escalas del planeta están conectadas al estándar internacional de kilogramos. Si bien la medición de la harina en su cocina seguirá siendo la misma, el nuevo estándar marca una gran diferencia para cosas como la fabricación de componentes de automóviles, el desarrollo de nuevos medicamentos y la elaboración de instrumentos científicos.

La votación no solo fue notable por la increíble precisión con que se pueden realizar estas mediciones, sino también por la cooperación internacional en la base de este trabajo. Después de que los representantes aprobaron por unanimidad la nueva definición, Sébastien Candel, el presidente de la Academia Francesa de Ciencias, concluyó: "Espero que esto también sea posible para muchos otros problemas del mundo".

Nota del editor: este artículo se publicó originalmente el 16 de noviembre de 2018. Se actualizó cuando entró en vigencia la redefinición del kilogramo.
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