Hay que redefinir el kilogramo

Uno de los objetivos de la ciencia es proporcionar la descripción más exacta de la realidad. ¿Y cómo se define algo tan relativo como la masa? El kilogramo, por ejemplo, se definió como la masa de un cilindro de platino-iridio en Sèvres, Francia.

Todos los pesos y escalas del mundo, pues, han de ser comparados con el bloque de hierro francés, que se llama (bastante acertadamente) “prototipo de kilogramo internacional” (IPK). Cuando el kilogramo fue lanzado, en 1889, se hicieron 40 copias físicas oficiales y fueron enviados a todo el mundo. La medición del kilogramo fue tomada como el equivalente a 1.000 centímetros cúbicos de agua.

Obviamente, para tener un objeto físico para cuantificar una unidad no es lo ideal. La masa del IPK y de sus gemelos no es la misma desde su creación: las mediciones tomadas en 1948 y 189 han revelado que las masas están divergiendo, con algunos de los hierros perdiendo masa y otros que la están cogiendo (algunas pierden peso por el desgaste, otros lo cogen porque atrapan suciedad…). Este es un problema serio para las personas que trabajan en la metrología: si las cosas tienen que ser medidas con precisión, la definición del kilogramo ha de ser más exacta.

“El grado de inestabilidad es aceptable, pero científicamente es una anomalía”, afirma el doctor Stuart Davidson, del Laboratorio Nacional de Física, a IFLScience. “Podemos vivir unos años más con algunos cambios de microgramos, pero hay que buscar algo para que sea constante en el tiempo”.

El metro, en distancia, se define como el recorrido que hace la luz en 1/299.792.458 segundos, y el segundo se define como 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación del átomo de cesio. Para lograr esta universalidad de la unidad de masa, los científicos están esperando poder redefinir el kilogramo en términos de la constante de Planck (una magnitud invariable básica en la teoría de la mecánica cuántica).

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La masa, por el momento, está ligada a la tierra. Los investigadores han estado buscando maneras de liberar la definición de masa de un objeto físico. En 2011, el Comité de Pesos y Medidas (CIPM) decidió que era necesario una nueva definición.

Dado que la incertidumbre está en los microorganismos, la importancia de la estabilidad en las medidas es clave cuando se trata de hacer mediciones muy precisas. Por ejemplo, las compañías farmacéuticas han de medir cantidades pequeñas de fármacos activos, y dado que existe la discrepancia en la definición de kilogramo, esto puede ser un problema grave.

De manera similar, las grandes masas también se ven afectadas: si tu objetivo es medir con precisión la masa de un avión, un error del 0,1% puede tener un gran efecto sobre la eficiencia de costes y combustibles.

La pregunta del millón: ¿cómo redefinir el kilogramo?

Si crees que es un proceso fácil, nada más lejos de la realidad. El CIPM solicitó que se obtengan tres mediciones independientes con al menos dos métodos independientes; el amperio, unidad internacional de la corriente eléctrica, se ha definido en relación con el kilogramo, pero la comunidad eléctrica ha encontrado la manera de establecer el amperio con ciertos efectos cuánticos conectados a la constante de Planck.

La idea estaba clara: relacionar el amperio con la constante de Planck y, después, conectarlo a la nueva definición del kilo. El instrumento para hacer esto, conocido como la balanza watt, fue inventado por el doctor Bryan Kibble, en 1975. Pero el experto falleció aquel mismo año.

Los científicos están trabajando actualmente en tratar de precisar la medición de la constante de Planck; una vez obtenida, la balanza watt (redifinida a balanza Kibble en honor de su creador) se podría utilizar para medir la masa de cualquier objeto.

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Otro método alternativo es a través de la constante de Avogrado, que representa el número de átomos en una cierta masa de una determinada sustancia. Esto se consigue mediante la construcción de una esfera perfecta de silicio, con el peso exacto de un kilo, y midiendo su diámetro en 500.000 posiciones ligeramente diferentes. Conociendo el volumen y las propiedades del silicio, los científicos pueden calcular el número de átomos.

Eso permite una estimación precisa del número de Avogadro. Este sistema tiene dos ventajas: es “fácil” contabilizar los átomos y se define dentro de los términos de la constante de Planck.

Pero, los inconvenientes son diversos: la medición todavía está vinculada a un artefacto específico, que debido a su forma esférica no será fácil de manipular. Además, tiene un gran volumen, así que hay que pesarlo en el vacío para determinar su masa (puesto que el aire interferiría). También tiene una gran área superficial, por lo que será numerosas veces más susceptible a ensuciarse que el kilogramo fundamental, por lo que el artefacto sería inexacto muy rápidamente.

Los dos experimentos están cerca de ser lo que el CIPM pide; sin embargo, habrá que esperar hasta la 26ª Conferencia Genera de Pesos y Medidas, en 2018, para ver cómo se resuelve todo esto.

Research on the new prototype kilogram

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