Adiós (por fin) al viejo kilogramo

En la mayor revisión del Sistema Internacional de Unidades desde 1875, los Estados miembros de la Conferencia General de Pesos y Medidas han votado a favor de redefinir cuatro unidades básicas: el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol. En la reunión, celebrada el pasado viernes 16 de noviembre en Versalles, los 60 delegados de la conferencia aprobaron por unanimidad la medida, que entrará en vigor el 20 de mayo de 2019. El acuerdo fue recibido con champán y una gran ovación. 

«Esto es grande», asegura Zeina Kubarych, metróloga del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos. «Es el viaje más emocionante que puede vivirse en la metrología.» Con el nuevo Sistema Internacional de Unidades (SI), todas las unidades de medida quedarán definidas a partir de constantes fundamentales de la naturaleza y podrán derivarse mediante experimentos. El cambio supone cortar los últimos vínculos entre el SI y los patrones físicos o las referencias arbitrarias.

El nuevo sistema garantiza que las unidades podrán obtenerse en cualquier parte del mundo a partir de su definición y que estas permanecerán siempre estables. El voto supone la coronación de décadas de trabajo y representa todo un triunfo para los metrólogos. Y significa también que el «Gran K», el antiguo cilindro de metal del tamaño de la palma de una mano que ha servido para definir el kilogramo desde 1889 y que se encuentra resguardado en una cámara en Sèvres, en las afueras de París, perderá su estatus de objeto especial.

«Probablemente desde la antigua Mesopotamia, hace 5000 años, cada pesaje ha consistido en poner una masa en un lado y un peso patrón local en el otro», explica Terry Quinn, antiguo director de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM, por sus siglas en francés). «A partir del 20 de mayo del año próximo ya no ocurrirá así. Creo que es extraordinario.»

Con todo, y a pesar de su importancia, ello no significa que el SI sea ahora perfecto, aclara David Newell, físico del NIST. En el futuro, los metrólogos aún habrán de trabajar para mejorar la definición del segundo y, en principio, añadir más unidades al sistema. «Es como el final de una serie de Harry Potter. El bien triunfa, pero todo está arrasado», ejemplifica Newell. En el SI «todavía hay una gran cantidad de caos que limpiar».

Unidades y constantes de la naturaleza

Toda medición ha de efectuarse siempre contra un valor de referencia. Y las referencias estandarizadas se usan para que las unidades puedan compararse y para que los resultados sean coherentes en todo el mundo, desde los miligramos de un medicamento hasta la sincronización del sistema GPS. En lo que respecta a la masa, eso significaba que toda medición debía poder rastrearse hasta el patrón del kilogramo albergado en Francia.

La idea de redefinir todas las unidades en función de constantes fundamentales de la naturaleza, las cuales no cambian con el tiempo ni son patrimonio de ningún país, se remonta a finales del siglo XIX. Sin embargo, han tenido que pasar 150 años hasta que los científicos han conseguido diseñar métodos lo suficientemente precisos para implementar esta propuesta con todas las unidades.

Así, los metrólogos han perfeccionado los experimentos capaces de contar el flujo de electrones individuales en una corriente eléctrica, gracias a lo cual ahora podrá usarse la carga de una sola de estas partículas para determinar el amperio. Este método permitirá reemplazar la antigua definición —basada en un experimento ideal que implicaba dos cables infinitamente largos— y conecta con la comunidad eléctrica, que ha venido empleando dichos estándares desde 1990 en virtud de su mayor precisión.

Al mismo tiempo, el kelvin quedará definido a partir de la constante de Boltzmann, la cual relaciona energía y temperatura, en lugar de referirse al punto triple del agua, un estado caracterizado por ciertas condiciones y una temperatura específica. Y el mol, la unidad de cantidad de sustancia, que durante largo tiempo ha estado definida a partir del número de átomos presentes en una muestra de 12 gramos de carbono 12, pasará a estar determinado por el número de Avogadro. 

El nuevo kilogramo

En el caso del kilogramo, su redefinición implicaba medir el valor de la constante de Planck con una precisión muy elevada. La técnica, conocida como método de la balanza de Kibble (o balanza de Watt), permite obtener la constante de Planck al pesar una masa conocida contra una fuerza electromagnética. Otra propuesta se basaba en contar los átomos presentes en dos esferas de silicio 28 y derivar a partir de ahí un valor para el número de Avogadro.

Los equipos que a lo largo de los años han estado perfeccionando ambas técnicas solo alcanzaron valores lo suficientemente precisos y próximos entre sí en 2015. «El hecho de que concuerden hasta unas pocas partes en 10 millones es absolutamente extraordinario, ya que ambas definiciones están basadas en áreas completamente distintas de la física», explica Quinn.

Ahora, las constantes relevantes se fijarán para siempre en valores exactos, como ya ocurriera con la velocidad de la luz cuando, en 1983, se usó para redefinir el metro. Después, para derivar las unidades de medida, los metrólogos «darán la vuelta» a los experimentos que antes se empleaban para obtener el valor de esas mismas constantes. Así, usar un valor fijo y conocido para la constante de Planck en una balanza de Kibble permitirá determinar la fuerza electromagnética que permite contrarrestar y calibrar una masa dada. Hace poco, algunos metrólogos del NIST se tatuaron en el antebrazo el valor de la constante de Planck.

Dado que cualquier objeto físico puede perderse o deteriorarse con el tiempo, los cambios aprobados ahora implican que el kilogramo podrá determinarse de manera mucho más fiable. Aunque, por definición, el Gran K siempre peso un kilo, hace tiempo que los científicos saben que su masa ha variado ligeramente con respecto a la de las copias oficiales que se hallaban repartidas por laboratorios de metrología de todo el mundo. Hasta ahora ha sido imposible decir con seguridad si ello se debía a que el Gran K había perdido o ganado átomos, pero los estudios futuros deberían poder dilucidarlo.

Una ventaja del nuevo SI es que cualquier experimento efectuado de la manera adecuada  podrá emplearse para determinar las unidades de medida, explica Estefanía de Mirandés, metróloga de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas. Ello no solo hace que el sistema sea más democrático, sino que también asegura la robustez de las definiciones de cara al futuro, ya que estas podrán usarse en experimentos nuevos y más precisos y, en principio, abrir la puerta a nuevas tecnologías. Además, el sistema ya permite medir masas muy grandes y muy pequeñas con una precisión mucho mayor que la actual, explica la investigadora.

Época de transición

Con todo, los metrólogos aún no podrán entrar de lleno en el mundo de las nuevas unidades. Aunque el acuerdo entre los distintos experimentos efectuados hasta la fecha ha sido lo suficientemente bueno para aprobar la redefinición del kilogramo, la concordancia entre ellos todavía no es perfecta. Hasta que se resuelvan todas las discordancias, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas actuará como árbitro. Pedirá a los distintos grupos que midan los mismos objetos y establecerá valores medios para sus masas. De Mirandés señala que limar todas las discrepancias podría llevar hasta diez años.

De hecho, los valiosos patrones físicos que hoy se encuentran repartidos por el mundo no irán a la basura. Por ahora, son tan pocos los laboratorios que cuentan con el equipo necesario para definir desde cero el kilogramo que las copias oficiales del Gran K seguirán empleándose como patrón de masa para las industrias que lo necesiten, como la aeroespacial o la biotecnológica. «Mis bebés siguen siendo míos y nadie los toca», dice Kubarych, quien supervisa las copias del Gran K en Estados Unidos.

Tanto el NIST como los laboratorios nacionales del Reino Unido y Alemania están trabajando ahora para conseguir balanzas de Kibble más manejables y económicas, a fin de que los experimentos en cuestión puedan llevarse cabo algún día en laboratorios más modestos.

Mejorar el segundo

La redefinición de estas unidades de medida viene ocupando a los metrólogos al menos desde 2005. Ahora, su nuevo objetivo será mejorar la definición del segundo, actualmente descrito a partir de la frecuencia de cierta radiación de microondas que emiten los átomos de cesio 133. En los últimos años, sin embargo, este método se ha visto superado por el que proporcionan los llamados «relojes ópticos», los cuales emplean distintos átomos que interaccionan con la luz visible, de mayor frecuencia que las microondas, y que parecen ser capaces de medir el tiempo con un error aún menor: el equivalente a apenas un segundo en la edad del universo. 

A fin de actualizar la definición del segundo en 2026, como esperan muchos metrólogos, será necesario desarrollar métodos que permitan comparar relojes ópticos en todo el mundo y decidir qué átomo, o átomos, se usarán como estándar. «Eso será un partido de fútbol político», augura Newell.

Otro tormento que puede que los metrólogos intenten resolver en el futuro es el de encontrar una manera menos problemática de acomodar en el SI unidades adimensionales, como el radián (la unidad de ángulo, definida a partir de la proporción entre la longitud de un arco de circunferencia y su radio). «En algunas comunidades hay un fuerte impulso para ello», apunta De Mirandés.

Para la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, que fue fundada en 1875 con el objetivo de albergar los patrones físicos del kilogramo y el metro, la revolución que está sacudiendo el SI tiene un sabor agridulce. Durante la conferencia en la que los países votaron redefinir las unidades, los participantes bromearon con el hecho de que ya no habrá ninguna necesidad de volver a París. Ahora, la institución espera desempeñar un papel a la hora de comparar las distintas materializaciones de las unidades que se efectúen en diversas partes del mundo y garantizar su precisión, explica De Mirandés. «Es el final de una época, pero también el comienzo de una nueva», concluye la investigadora.

Elizabeth Gibney/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con el permiso de Nature Research Group.