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Cumbre histórica en París: redefinen el kilogramo y otras tres unidades de medida

Héctor Laiz, gerente de Metrología, Calidad y Ambiente del INTI
Héctor Laiz, gerente de Metrología, Calidad y Ambiente del INTI Crédito: Rodrigo Néspolo
Nora Bär
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12 de noviembre de 2018  • 20:29

Cuentan los historiadores que en el ancien régime francés había ¡miles de diferentes unidades de medidas! Para racionalizar los intercambios de bienes y las actividades del Estado, en junio de 1792 los astrónomos Jean-Baptiste Joseph Delambre y Pierre François André Méchain dejaron la capital de Francia, uno hacia el Norte y otro hacia el Sur, con los instrumentos científicos más avanzados del momento para medir la parte del meridiano que va de Dunkerque a Barcelona y establecer la dimensión del metro como una diez millonésima parte de la distancia entre el Polo Norte y el Ecuador.

Histórico: se redefinen el kilogramo y otras tres unidades de medida

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Para extraer este número de la superficie curvada del planeta, durante siete años, treparon a las torres de las catedrales y a la cumbre de volcanes, y hasta corrieron riesgo de ser guillotinados. Al volver, presentaron sus datos a una comisión internacional en lo que fue la primera conferencia científica internacional del mundo y a la que asistió el mismísimo Napoleón. "Las conquistas llegan y se van -sentenció el emperador-, pero este trabajo permanecerá".

Así se crearon las dos primeras unidades del sistema métrico decimal (el metro y, a partir de este, el kilogramo) cuyos patrones fueron depositados en los Archivos de la República de Francia el 22 de junio de 1799. Casi un siglo más tarde, un acuerdo diplomático firmado por 17 países (entre ellos, la Argentina, representada por Mariano Balcarce, yerno de San Martín) consagró la "Convención del Metro".

Ahora, en una cumbre de la metrología que comienza en Versalles, se procederá al mayor cambio en el "Sistema Internacional de Unidades" que se registra desde entonces. Se redefinirán cuatro de sus unidades básicas: el kilogramo (unidad de masa), el ampere (unidad de corriente eléctrica), el kelvin (unidad de temperatura) y el mol (unidad de sustancia).

La Conferencia General de Pesos y Medidas reúne a científicos llegados desde 60 países. Si se aceptan los resultados de varios experimentos que se vienen realizando para determinarlos sobre la base de constantes fundamentales de la naturaleza, el viernes se sellará un histórico acuerdo que dejará de lado definiciones abstractas o arbitrarias, tales como la comparación con un objeto físico, y permitirá "realizar" estas unidades en cualquier momento y lugar.

Las unidades de base del sistema internacional son siete: el segundo, el metro, el kilogramo, el ampere, la candela, el mol y el kelvin. Hasta el viernes, el ampere se define por un experimento imaginario que involucra la fuerza entre dos conductores paralelos de longitud infinita y de sección despreciable. El mol es la cantidad de sustancia en un sistema con tantas entidades elementales como átomos hay en 12 gramos de carbono-12, y el kelvin es la temperatura a la cual el agua, el hielo y el vapor coexisten en equilibrio, conocida como "el punto triple del agua". La candela es la intensidad luminosa de una fuente monocromática de una frecuencia determinada.

Hasta ahora, los patrones de unidades de medida nacionales de masa, como el kilogramo, sus múltiplos y submúltiplos, eran objetos físicos celosamente guardados en el INTI
Hasta ahora, los patrones de unidades de medida nacionales de masa, como el kilogramo, sus múltiplos y submúltiplos, eran objetos físicos celosamente guardados en el INTI Crédito: Rodrigo Néspolo

El kilogramo se define como la masa de un cilindro de platino e iridio guardado bajo tres llaves (que tienen tres personas diferentes) en una bóveda subterránea del Bureau International des Poids et Mesures de París. El metro, que era la distancia entre dos marcas grabadas en una barra del mismo material depositada en esa misma bóveda, ya se redefinió sobre la base de la velocidad de la luz.

Pero de aquí en más, si se firma el acuerdo, cuatro de estas unidades serán calculadas en relación con constantes válidas en la Tierra o en cualquier lugar del universo. El kilo se definirá en relación con la constante de Planck ( h); el ampere por la carga eléctrica del electrón (e); el kelvin por la constante de Boltzmann (k) y el mol por la de Avogadro (NA). Así, se sumarán al segundo, el metro y la candela, que ya cumplen con esta condición.

"Tal como la redefinición del segundo en 1967 ('la frecuencia de la radiación que emite una transición del átomo de cesio entre dos niveles hiperfinos en su estado base') sustentó desarrollos tecnológicos que transformaron la forma en que nos comunicamos, e hizo posible utilizar el GPS y la Internet, los nuevos cambios tendrán impacto en la ciencia, la tecnología, el comercio, la salud y el medio ambiente", afirma en un comunicado la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

"Desde hace muchos años, el metro se define sobre la base de una constante fundamental de la naturaleza que es la velocidad de la luz. Es la distancia que recorre la luz en el vacío en una fracción de segundo (1/299.792.458) y se mide con láseres -explica Héctor Laiz, gerente de Metrología, Calidad y Ambiente del INTI y uno de los 18 integrantes del Comité Internacional de Pesos y Medidas que elaboró las recomendaciones para esta reconversión-. Definir una distancia por el tiempo que lleva recorrerla nos resulta natural. Es lo que hacemos, por ejemplo, cuando decimos que entre un punto y otro hay 10 minutos 'a pie'".

Pero definir el kilo en función del valor de la constante de Planck es algo más fácil de decir que de hacer. "Llevó doce años por las dificultades experimentales que implica -cuenta Laiz-. En su momento, había dos líneas para la redefinición del kg. Una planteaba que había que usar la constante de Planck y la otra, que había que determinarlo en función de la masa de una partícula. ¿Por qué se impuso la constante de Planck? Bueno, porque para los físicos es más fundamental. La masa de un átomo depende de si está en estado de reposo, si está aislado o vinculado con otros... En cambio la constante de Planck relaciona la energía de un fotón con la frecuencia de su onda electromagnética, es la constante básica de la física cuántica. Se mide en kilogramos por metro al cuadrado sobre segundo. Como ya tengo definido el segundo y el metro, asignándole un valor a la constante de Planck estoy definiendo el kilogramo".

En 2007 se estableció que para redefinir las unidades, los experimentos para relacionar la constante de Planck con el kg tenían que tener un nivel de acuerdo mejor que dos partes en 10 a la octava potencia (2/100.000.000 o 0,00000002). El problema era que para determinar el valor de la constante de Planck en función del kg se hacían dos experimentos, uno usando la balanza de Watt y otro, con la esfera de Avogadro. Pero tenían un desacuerdo mayor que la incertidumbre que existía al comparar una pesa con el prototipo de París. No se podía avanzar con la redefinición porque hubiera empeorado la exactitud de las mediciones en lugar de mejorarlas. Solo en 2016 se logró un acuerdo mejor que la incertidumbre que se había fijado.

Héctor Laiz (a la izquierda) y Alberto Zinzallari, ambos del INTI, junto a uno de los instrumentos que permiten calibrar los patrones de medidas
Héctor Laiz (a la izquierda) y Alberto Zinzallari, ambos del INTI, junto a uno de los instrumentos que permiten calibrar los patrones de medidas Crédito: Rodrigo Néspolo

Para hacernos una idea de lo que significa ese nivel de precisión pensemos que las balanzas para pesar soja en los puertos argentinos tienen una exactitud de una parte en mil. La que ofrecen estas mediciones es de dos partes en una centena de millones.

Las otras unidades que se van a redefinir son el Kelvin, que de ahora en más se determinará a partir de la constante de Bolzmann (relaciona temperatura con energía), el mol (asignándole un valor numérico fijo a la constante de Avogadro) y el ampere (por la carga del electrón).

Uno de los problemas que llevó a este cambio radical fue que las medidas eléctricas, no se podían "realizar" experimentalmente. "Desde 1990 -explica Laiz-, la metrología eléctrica está basada en experimentos cuánticos y no en la definición del ampere. Entonces, había una inconsistencia que ahora se va a subsanar".

También, hay quienes sospechan que en el último siglo y medio el kilogramo patrón, el cilindro guardado en un sótano de París, perdió unos átomos equivalentes a unos 50 microgramos, aunque esto es imposible de determinar.

"No se puede saber -afirma Laiz-. Porque... ¿qué es un kilo? Un kilo es la masa de esa pesa. Para comprobar si algo perdió un gramo, lo comparo con esa pesa, pero ¿con qué comparo la pesa? No hay forma de verificar su estabilidad. Cuando la fabricaron, hicieron otros seis testigos iguales. Cuando los comparamos con el kg patrón, se ve que con los años fueron cambiando, pero no se puede saber si fue uno o los otros. Por definición, la masa del kg patrón es 1 kg; es decir, que el cambio que se mide se le asigna al resto, cuando en realidad no se sabe cuál cambió".

Como la constante de Planck, según el conocimiento actual de la física, vale lo mismo en cualquier lugar del universo y en cualquier condición, de aquí en más, un kilogramo va a ser igual acá, en Júpiter, en Venus o donde sea. "Siempre que yo pueda relacionar la constante de Planck con una medición de masa voy a poder tener una realización del kilo -subraya el científico-. Antes, si uno quería medirlo en Marte, tenía que sacar el cilindro de platino e iridio de su bóveda y llevarlo al planeta rojo para hacer calibraciones. Ahora, solo tengo que hacer un experimento que relacione la masa con la constante de Planck".

Si se aprueban, estos cambios comenzarán a regir el 20 de mayo de 2019. Pero a no inquietarse: una tonelada seguirá siendo equivalente a mil kilos de los actuales y tampoco tendremos que modificar nuestras recetas gastronómicas. Sin embargo, a los científicos este cambio les permitirá trabajar en cualquier escala sin perder precisión.

Cuando en 1900 Max Planck propuso redefinir el sistema internacional de medidas sobre la base de constantes fundamentales de la naturaleza, afirmó que éstas "necesariamente retendrán su validez en todo tiempo y cultura, incluso en las extraterrestres". El logro, que solo ahora pudo alcanzarse, es sin duda un avance mayúsculo de la ciencia cuyas derivaciones es imposible anticipar.

Por: Nora Bär

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