La Física cuántica cambia las unidades de medida

Por Francesca Battista y Dante Aloisi

En noviembre de 2018, durante la Conferencia General de Pesos y Medidas se aprobarán las nuevas definiciones de kilogramo, ampere, kelvin y mol, de acuerdo con algunas constantes universales, con el fin de mejorar la accesibilidad y la posibilidad de reproducir internacionalmente las medidas de muchas magnitudes físicas.

¿Quién de nosotros, por lo menos una vez, no ha intentado experimentarse en la cocina con la preparación de alguna receta? El primer paso es comprar los ingredientes, indudablemente comercializados "por peso". Luego hay que mezclarlos, teniendo cuidado de medir las dosis correctas con una balanza. Sin embargo, ¿alguna vez se han preguntado cómo se determina que las cantidades presentes en los paquetes sean exactamente el peso indicado o si el número establecido por la báscula es el correcto? Después de todo, ¿qué es el "kilogramo"?

Ya a fines del 1700, Luis XVI había decidido encargar una comisión para crear un sistema internacional de medidas, con el objetivo de normalizar los estándares para los intercambios comerciales y para facilitar el mapeo geográfico del reino y de sus colonias. Entre otras cosas, la comisión decidió que la unidad de masa, el kilogramo, estaría representada por un bloque de agua congelada del volumen de un litro. Dado el obvio problema de reproducibilidad de la unidad de medida en estricta dependencia del clima, se decidió construir un artefacto, literalmente un bloque de material sólido, mucho más efectivo para este propósito.

Al final de la Revolución Francesa, más precisamente en el año 1875, el primer artefacto, conocido como el "kilogramo de los archivos", fue finalmente incluido en el sistema métrico de medición y ahora hace parte del Sistema Internacional (SI).

El 20 de mayo de 1875, se fundó el Bureau des Poits et Measures (BIPM) en Sèvres, cerca de París, organismo internacional responsable de la comparabilidad global de las mediciones. Todos los países con sus respectivos Institutos Nacionales de Metrología (INM) se remiten a esta institución para la correcta calibración de los instrumentos de medición.

En Argentina, el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) es la institución responsable de mantener los estándares nacionales de medición, de acuerdo con los del BIPM, del cual el país latino es miembro fundador.

El Sistema Internacional está constituido por las siete unidades de medida fundamentales, de las cuales se derivan todas las demás: el metro para la longitud, el segundo para el tiempo, el kelvin para la temperatura, el ampere para la corriente eléctrica, la mol para la cantidad de moléculas, la candela para la intensidad luminosa, y el kilogramo para la masa.

El prototipo internacional del kilogramo se encuentra en la sede de BIPM en Francia, mientras que en el mundo se distribuyeron copias como referencias nacionales. A lo largo de los años se registraron variaciones entre la masa del prototipo internacional y los nacionales y no hay forma de determinar en que medida cada uno cambió. Este fenómeno podría representar un problema para muchas de las actividades humanas: desde aquellas relacionadas con el cuidado del medio ambiente o la seguridad pública, hasta el comercio o la calidad de la producción industrial, por lo cual se requiere un estándar de medición constante a lo largo del tiempo y universalmente aceptado.

Pronto, sin embargo, la definición de algunas unidades de medida y la calibración de los instrumentos sufrirán un cambio sustancial. Las nuevas definiciones de las unidades de medida se basarán en siete constantes físicas, como la carga de los electrones o la constante Plank, que se consideran intrínsecamente estables, y sustituirán a las antiguas definiciones basadas sólo en propiedades físicas o, en el caso del kilogramo, en un artefacto.

De este cambio hemos hablado con Martin Milton, director del Bureau des Poits et Measures, en ocasión del Congreso Nacional de la Sociedad Italiana de Física, celebrado en Rende (Italia), el pasado 17 de septiembre.

"En 2017 pensamos que no era posible determinar la constante de Plank con la precisión que nos habíamos prefijado, debido a las limitaciones de la tecnología actual, pero pronto nos dimos cuenta que, incluso si no éramos tan buenos como pensábamos, éramos suficientemente buenos para establecer un nuevo estándar para unidades de medida ", revela Milton, explicando el proceso que desde la propuesta avanzada en 2005 por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), en los Estados Unidos, de la Universidad de Reading, en el Reino Unido, y del mismo BIPM, ha llevado, después de casi quince años de trabajo, al resultado deseado.

El mayor desafío ha sido crear herramientas que pudieran medir las diferentes cantidades físicas en términos de constantes universales, con una precisión de uno en cien millones. Quince años pueden parecer muchos, pero Milton deja en claro que "fue uno de los avances más rápidos en la historia de la ciencia, si se compara, por ejemplo, con el láser", que tuvo que esperar unos treinta años entre su teorización y su realización práctica, y agrega "el próximo desafío será la redefinición del "segundo" para el 2030, enviando al espacio relojes ópticos, distribuidos en la órbita geoestacionaria, uno para cada zona horaria".

Durante la sesión plenaria de apertura del Congreso Nacional de la Sociedad Italiana de Física, el director del BIPM explicó cómo la unidad de medición de masa se definirá precisamente sobre la base de la constante cuántica de Plank. La medición del kilogramo, según esta nueva definición, será posible gracias a la "balanza de Kibble", cuyo funcionamiento se basa en los efectos magnéticos y cuánticos. "A algunas personas les gustaría hablar de un sistema internacional de medición cuántica, pero yo personalmente prefiero mantener el nombre del Sistema Internacional, porque en realidad el sistema sigue siendo el mismo".

Milton afirma que el cambio será gradual e imperceptible en la vida diaria, pero asegurará al mundo académico y industrial una mayor accesibilidad y estabilidad de las medidas, especialmente en previsión de futuros desarrollos tecnológicos. Este es también un gran cambio desde el punto de vista educativo, en relación con la enseñanza de las ciencias naturales: "El debate con las instituciones educativas se ha desarrollado durante diez años", informa Milton, "pero cada país decidirá de manera autónoma cómo introducir las nuevas definiciones dentro de los programas escolares y universitarios".

Una vez aprobadas durante la 26ª Conferencia General de Pesos y Medidas, las nuevas definiciones de kilogramo, ampere, kelvin y mol entrarán en vigor el 20 de mayo de 2019, día mundial de la metrología. La conferencia será visible en streaming a través del sitio youtube el próximo 16 de noviembre.