Ciencia

El kilogramo ha cambiado para siempre. ¿Por qué es importante?

Desde la báscula de tu baño a la de un laboratorio médico, el estándar de masa se basa ahora en un valor «que forma parte del tejido del universo».lunes, 19 de noviembre de 2018

Por Maya Wei-Haas
Este cilindro es una réplica exacta del prototipo internacional del kilogramo, o IPK, por sus siglas en inglés. Esta copia en particular, conservada en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Gaithersburg, Maryland, es la base de todas las calibraciones de peso en Estados Unidos.

En la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Sèvres, Francia, una cámara termostatizada alberga un brillante cilindro de metal sellado bajo tres campanas de vidrio. Este pedazo solitario de platino e iridio, apodado Le Grande K, o el Gran K, ha definido la masa en todo el planeta durante más de un siglo: desde las básculas de los baños hasta las de los laboratorios médicos.

Pero todo eso está a punto de cambiar.

El 16 de noviembre de 2018, los representantes de más de 60 países votaron durante la 26ª reunión de la Conferencia General de Pesos y Medidas en Versalles, Francia, para redefinir el kilogramo. El cambio ha entrado en vigor el 20 de mayo de 2019. En lugar de basar la unidad en este objeto físico, de ahora en adelante la medida se basará en un factor fundamental de la física conocido como la constante de Planck. Este número infinitesimalmente diminuto, que comienza con 33 ceros tras su coma decimal, describe el comportamiento de paquetitos elementales de luz conocidos como fotones, desde el parpadeo de la llama de una vela hasta el brillo de las estrellas del firmamento.

«Esa constante fundamental forma parte del tejido del universo», afirma Stephan Schlamminger, líder del equipo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología que, junto a una cohorte internacional de científicos, trabajó para refinar la constante de Planck para redefinir el kilogramo. Y lo que es más importante: este valor permanecerá igual para siempre, independientemente de su ubicación.

Un cambio masivo

El kilogramo es una de las siete unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades, que define el resto de las 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 estas siete lo sustentan todo en nuestro universo. Garantizan estabilidad en la fabricación, el comercio y la innovación científica, entre otras cosas.

El sistema métrico, que más adelante se convirtió en el Sistema Internacional de Unidades, se concibió a finales del siglo XVIII como forma de tomar medidas «para siempre y para todos», afirma Schlamminger. Se esperaba simplificar la vida cotidiana en un mundo donde mudarse a una ciudad diferente implicaba la posibilidad de tener que aprender un sistema de medidas diferentes.

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Richard Davis, físico teórico emérito de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas —organización que regula todo lo relacionado con las unidades de medida—, explica que muchas de estas primeras unidades métricas se basaban en elementos de la naturaleza. Pero en última instancia, su uso era poco práctico. Por ejemplo, el metro se definió como 1/10.000.000 la distancia del polo norte al ecuador, pasando por París. El kilogramo era la masa de un litro de agua destilada en su punto de congelación.

«Simplemente carecían de la tecnología o la ciencia para lograrlo», afirma Davis. En junio de 1799, se forjaron dos estándares de platino —una vara de metro y un cilindro de kilogramo—, marcando el nacimiento del sistema métrico decimal. Para aumentar su estabilidad, en 1889 se forjaron prototipos a partir de una aleación de platino e iridio y se almacenaron bajo llave.

Sin embargo, su dependencia de objetos físicos tenía sus inconvenientes. «Un objeto material no sirve para siempre», afirma Schlamminger. Las tazas de café se rompen, la ropa se rasga, las tuberías se oxidan. Es más, encerrados en una caja fuerte, estos objetos no son «para todos».

Durante los siglos siguientes, estos objetos físicos solo han sido remplazados con constantes fundamentales. El kilogramo era el último que quedaba.

Años de pérdida de peso

Salvo por su inaccesibilidad, el Gran K hizo su trabajo. Los científicos forjaron una serie de copias para que las utilizaran investigadores de todo el mundo. Los investigadores solo liberaron al Gran K de su caja fuerte en tres ocasiones en sus casi 130 años para comparar el preciado cilindro con sus dobles.

Pero con cada comparación, los científicos empezaban a preocuparse cada vez más: parecía que el Gran K perdía peso.

Al compararlo con sus copias, el pequeño cilindro parecía estar volviéndose cada vez más ligero. O eso, o sus copias estaban volviéndose cada vez más pesadas. Es imposible determinar la opción correcta, ya que el Gran K, por definición, es exactamente un kilogramo. Aunque alguien lo cogiera y le recortara un pedazo, el Gran K seguiría pesando un kilogramo y los kilogramos de todo el mundo tendrían que ajustarse.

En total, la masa del Gran K difiere de la de sus copias en unos 50 microgramos, la masa aproximada de un grano de sal. Y aunque quizá no parezca demasiado, es un gran problema para campos exactos como la medicina. Para colmo, esta pérdida no solo afecta a la masa, sino también a otras unidades que se definen en relación a la masa, como el newton.

¿Cómo ha ocurrido esto?

Para resolver esta pérdida de peso, en 2011 la Conferencia General de Pesos y Medidas aprobó por unanimidad una resolución para redefinir el kilogramo y tres unidades más —el amperio, el kelvin y el mol— basándose en las «invariantes de la naturaleza». Desde entonces, científicos de todo el mundo han intentado encontrar una solución.

Surgieron dos posibilidades diferentes para el kilogramo, ambas vinculadas a la constante de Planck. La primera se basa en la denominada balanza de Kibble. Se parece un poco a una báscula clásica, que es, básicamente, una barra con una bandeja colgante al otro lado. Para medir el peso de algo, colocas una masa conocida a un lado y el objeto de interés al otro. Gracias a la fuerza de la gravedad, puedes determinar cuánto pesa ese objeto en relación a la masa conocida.

Sin embargo, en el caso de una balanza de Kibble, una de las bandejas se remplaza con una bobina en un campo magnético. Y en vez de emplear la fuerza de la gravedad para equilibrar la masa, usa una fuerza electromagnética. Comparando la masa con aspectos de esta fuerza electromagnética, los científicos pueden tomar medidas exactas de la constante de Planck.

La otra solución se basa en elaborar otro objeto brillante: una esfera perfecta de silicio-28 cristalino. Esta idea se basa en un número conocido como la constante de Avogadro, que define que el número de átomos en un mol es de unos 602.214.000.000.000.000.000.000. Si cuentan el número de átomos en una esfera de silicio que pesa exactamente un kilogramo, los científicos pueden determinar la constante de Avogadro con una precisión extrema. Esta puede convertirse a la constante de Planck.

El valor final de la constante de Planck es inconcebiblemente pequeño: 0,000000000000000000000000000000000662607015 kilogramos por metro cuadrado por segundo.

El fin de la espera

Con los dos métodos, los científicos pueden medir un kilogramo con una incertidumbre de uno por 100.000.000, una diferencia que es casi un cuarto del peso de una pestaña, según explica Schlamminger. «Eso es lo que tiene la ciencia: la perfección no existe», afirma. «Siempre hay efectos aleatorios y siempre existe algo de dispersión. Debes decidir: ¿es lo bastante bueno?». El voto unánime sugiere que sí es lo bastante bueno.

El cambio entró en vigor el Día Mundial de la Metrología. «Ese día no se percibirá ningún cambio en la vida cotidiana», afirma Davis. Pero de una u otra forma, todas las básculas del planeta están conectadas al kilogramo estándar internacional. Aunque seguirás pesando la harina de la misma forma en la cocina, el nuevo estándar supone una diferencia inmensa para ámbitos como la fabricación de partes de vehículos, el desarrollo de nuevos medicamentos y la elaboración de instrumental científico.

La votación no solo ha destacado por la increíble precisión con la que ahora se pueden tomar estas medidas, sino también por la cooperación internacional en la que se ha basado su labor. Cuando los representantes aprobaron la nueva definición por unanimidad, Sébastien Candel, presidente de la Academia Francesa de las Ciencias concluyó: «Espero que esto también sea posible para muchos más problemas mundiales».

Nota: Este artículo se publicó originalmente el 16 de noviembre de 2018. Se ha actualizado con la entrada en vigor de la redefinición del kilogramo.
Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.
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