Encerrado en una bóveda que requiere tres llaves para abrir, en la ciudad de Sèvres, justo al suroeste de París, hay un kilogramo. En realidad, es el kilogramo, el prototipo internacional del kilogramo (IPK), el kilogramo contra el cual todos los demás kilogramos deben medir, Le Grand K. Este cilindro de aleación de platino-iridio se encuentra debajo de tres campanas de vidrio protectoras, en un ambiente controlado por temperatura y humedad, en una caja fuerte junto con seis copias oficiales, en la bóveda subterránea de Sèvres.
"Si lo dejaras caer, todavía sería un kilogramo, pero la masa del mundo entero cambiaría", dice Stephan Schlamminger, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Maryland.
El IPK solo emerge de su bóveda cada 40 años más o menos, cuando el lingote del tamaño de una pelota de golf, exactamente un kilogramo por definición desde 1889, se usa para calibrar copias que se comparten con países de todo el mundo. Pero hay un problema. En la bóveda con el IPK hay seis témoins, o "testigos", las copias oficiales. Con los años, como lo demuestran las raras ocasiones en que Le Grand K y sus testigos han sido medidos, la masa del IPK ha "derivado".
El prototipo internacional del kilogramo (IPK). (Fotografía cortesía de BIPM) La mayoría de los testigos ahora pesan un poco más —una cuestión de microgramos o millonésimas de gramo— que el IPK (aunque, para empezar, muchas de las copias eran más masivas). Se podría decir que el IPK está perdiendo masa, pero no se puede decir eso, porque el IPK es inmutable e inquebrantable un kilogramo . Además, los físicos ni siquiera saben si el IPK está perdiendo masa o está ganando masa a largo plazo, solo que se está desplazando lentamente debido a cantidades imperceptibles de material agregado del aire, o se borró durante un pesaje, o se manchó en el superficie plateada del IPK durante uno de sus baños meticulosos.
Como puede imaginar, esta deriva a la mínima causa muchos dolores de cabeza a los científicos, sin mencionar las industrias que dependen de mediciones de masa pequeñas y precisas, como las compañías farmacéuticas.
"Por el momento, el kilogramo se define en términos de la masa de una cosa en particular", dice Ian Robinson, del Laboratorio Nacional de Física (NPL) en el sur de Londres. "Y si esa cosa se destruye o cambia o lo que sea, es incómodo".
Una de las copias de platino-iridio de NIST del IPK, el K92, con masas de kilogramos de acero inoxidable en el fondo. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Afortunadamente, los metrólogos del mundo tienen una solución: redefinir el kilogramo en términos de una constante natural y universal. La mayoría de las unidades en el Sistema Internacional de Unidades (SI) ya están definidas de acuerdo con constantes universales, como el medidor, que oficialmente es la longitud recorrida a la velocidad de la luz en el vacío en 1 / 299, 792, 458 de segundo. Por supuesto, esta definición se basa en el segundo, que se define como la duración de 9, 192, 631, 770 períodos de una frecuencia específica de radiación electromagnética (microondas en este caso) que provoca la transición del electrón externo de un átomo de cesio-133 (cambio de un cuántico medición de "girar hacia arriba" para "girar hacia abajo" o viceversa).
Pero el kilogramo, la última unidad restante definida por un artefacto, se ha resistido obstinadamente a la redefinición, hasta ahora. El 16 de noviembre, en la 26ª reunión de la Conferencia General de Pesos y Medidas, los delegados de 60 estados miembros se reunirán en Sèvres para votar para redefinir el kilogramo de acuerdo con la constante de Planck, un número que relaciona la frecuencia de una ola de luz con la energía de un fotón en esa onda. Y según Richard Davis, físico de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM), "esperan una mayoría sustancial".
(ACTUALIZACIÓN: El 20 de mayo de 2019, los cambios al Sistema Internacional de Unidades entraron en vigencia oficialmente, incluidas nuevas definiciones para el kilogramo, el amperio, el kelvin y el topo).
Max Planck y Albert Einstein
En 1879, el IPK fue lanzado por la compañía de metales preciosos Johnson Matthey en Londres, Max Planck, de 20 años, defendió su tesis sobre la segunda ley de la termodinámica, y nació Albert Einstein. Aunque los dos científicos no lo sabían durante el curso de sus vidas, su trabajo colectivo sobre la física fundamental de la gravedad y la mecánica cuántica llegaría a sentar las bases para una definición del kilogramo del siglo XXI.
Entonces, ¿cuál es la constante de Planck? "En un nivel fundamental, es difícil de decir", dice Davis.
La constante de Planck es un número muy pequeño: 6.62607015 x 10 -34, para ser exactos, como se definirá oficialmente en la reunión del 16 de noviembre. En 1900, Max Planck calculó el número para que se ajustara a los modelos de luz provenientes de las estrellas, haciendo coincidir la energía y la temperatura de las estrellas con sus espectros de radiación electromagnética (conocida colectivamente como radiación de cuerpo negro). En ese momento, los datos experimentales sugirieron que la energía no fluye libremente en ningún valor, sino que está contenida en paquetes o cuantos, de los cuales la mecánica cuántica toma su nombre, y Planck necesitaba calcular un valor para estos paquetes para adaptarse a sus modelos de radiación de cuerpo negro.
Cinco premios Nobel, de izquierda a derecha: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan y Max von Laue, se reunieron para una cena ofrecida por von Laue en 1931. (Dominio público) Cinco años después, Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad especial, que llegaría a expresarse como la famosa ecuación E = mc 2 (la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado, una epifanía de que la energía está fundamentalmente ligada a todas las materia del universo). También calculó el valor teórico de un único cuántico fundamental de energía electromagnética, ahora conocido como un fotón, que resultó en la relación de Planck-Einstein, E = h v . La ecuación establece que la energía de un fotón (E) es igual a la constante de Planck (h) multiplicada por la frecuencia de la radiación electromagnética ( v, que es el símbolo griego nu en lugar de una "v").
“Sabes que tienes la energía de un fotón, que es h v, pero también sabes que tienes la energía de una masa, que es mc 2 . [Entonces], E = h v = mc 2 . Ahí puedes ver cómo puedes obtener una masa de h [la constante de Planck], v [la frecuencia de onda] yc [la velocidad de la luz] ”, dice David Newell, físico de NIST.
Pero este no es el único lugar donde aparece la constante de Planck. El número es necesario para describir el efecto fotoeléctrico en el que se basan las células solares. También se usa en el modelo del átomo de Niels Bohr, e incluso aparece en el principio de incertidumbre de Heisenberg.
"Es como decir, bueno, ¿qué pasa con Pi?", Dice Davis. "¿Qué es Pi? Bueno, es la circunferencia del círculo dividido por el diámetro del círculo. Pero luego Pi aparece en todas partes en matemáticas. Está por todo el lugar.
La clave que conecta la constante de Planck con el kilogramo es su unidad, el joule-segundo o J · s. La constante obtiene esta unidad única porque la energía se mide en julios y la frecuencia se mide en hercios (Hz), o ciclos por segundo. Un julio es igual a un kilogramo multiplicado por metros al cuadrado dividido por segundos al cuadrado (kg · m 2 / s 2 ), por lo que con algunas medidas y cálculos inteligentes, uno puede llegar al kilogramo.
Pero antes de que pueda convencer al mundo de cambiar la definición de la unidad de masa estándar, es mejor que sus mediciones sean las mejores tomadas en la historia de la ciencia. Y como dice Newell, "medir algo absoluto es muy difícil".
Medida por medida
A menudo damos por sentado que un segundo es un segundo, o un metro por metro. Pero para la mayoría de la historia humana, tales medidas de tiempo, duración y masa fueron bastante arbitrarias, definidas de acuerdo con los caprichos de las costumbres o gobernantes locales. Uno de los primeros decretos de que las medidas nacionales deben ser estandarizadas provino de la Carta Magna en 1215, que establece:
"Que haya una medida para el vino en todo nuestro reino, y una medida para la cerveza, y una medida para el maíz, a saber, " el barrio de Londres "; y un ancho para telas ya sea teñidas, rojizas o alabardas, es decir, dos copas dentro de los orillos. Que sea lo mismo con las pesas que con las medidas.
Pero después de la Ilustración, cuando los científicos comenzaron a desenredar las restricciones físicas del universo, se hizo evidente que los diferentes estándares de medida presentaban un grave impedimento para el avance de la especie. Los científicos se extendieron por todo el mundo en los siglos XVIII y XIX, midiendo todo, desde la forma precisa de la Tierra hasta la distancia al sol, y cada vez que un lachter alemán (unos dos metros, dependiendo de la región) tenía que ser comparado con un inglés patio (que también varió durante la mayor parte de su existencia), las incertidumbres y las malas comunicaciones abundaban.
Una copia del primer metro estándar, sellada en los cimientos de un edificio en 36 rue de Vaugirard, París. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Los franceses finalmente tuvieron una revolución, no solo de política, sino también de medidas. A medida que el siglo XVIII llegaba a su fin, se estima que el Reino de Francia tenía aproximadamente un cuarto de millón de unidades variables, lo que hace imposible hacer un seguimiento de todas ellas. Instada por la Asamblea Nacional Constituyente, que se formó durante el comienzo de la Revolución Francesa, la Academia de Ciencias francesa se propuso establecer una nueva unidad de longitud que se convertiría en la medida oficial para el país: el medidor, definido como una décima millonésima parte. de la distancia desde el Polo Norte hasta el ecuador.
Una expedición topográfica dirigida por los matemáticos y astrónomos franceses Jean Baptiste Joseph Delambre y Pierre Méchain trianguló la distancia de una parte de esa longitud, que se extiende desde Dunkerque hasta Barcelona, para calcular el nuevo medidor. Las mediciones de la encuesta se completaron en 1798, y el nuevo estándar se adoptó pronto en Francia.
El medidor llegó a representar una unidad de medida fundamental, definiendo el litro (1, 000 centímetros cúbicos) e incluso el kilogramo (la masa de un litro de agua). Para 1875, el mundo estaba listo para adoptar el sistema métrico, y la Convención del Metro de ese año vio a representantes de 17 naciones firmar el Tratado del Metro, creando la Oficina Internacional de Pesos y Medidas y estableciendo nuevos estándares de masa y longitud. fundido en aleación de platino-iridio, que define el medidor y el kilogramo para el mundo.
Pero a medida que una ola de científicos del siglo XX, como Planck y Einstein, comenzaron a hurgar en la estructura newtoniana de la física, descubriendo nuevas leyes entre la inmensidad del cosmos y los fundamentos del átomo, el sistema de medida necesitaba actualizarse en consecuencia. . En 1960, se publicó el Sistema Internacional de Unidades (SI), y los países de todo el mundo establecieron instituciones de metrología para refinar continuamente las definiciones oficiales de nuestras siete unidades de medida básicas: el metro (longitud), kilogramo (masa), segundo (tiempo) ), amperios (corriente eléctrica), kelvin (temperatura), moles (cantidad de sustancia) y candelas (luminosidad).
Una esfera de Avogadro de átomos puros de silicio-28. Al medir el volumen de la esfera y el volumen de un solo átomo de silicio-28, los meteorólogos pueden medir la masa de un solo átomo en la esfera, proporcionando un método para calcular el número de átomos en un mol, llamado número de Avogadro, que puede ser usado para calcular la constante de Planck. (Fotografía cortesía de BIPM) A partir de estas unidades base, se pueden calcular todas las demás unidades. La velocidad se mide en metros por segundo que se puede convertir a mph y otras velocidades; el voltio se mide en términos de amperios de corriente y resistencia en ohmios; y la definición del patio ahora es proporcional a 0.9144 de un metro.
Hoy, como durante el siglo XVIII, la cuestión de refinar tales mediciones está a la vanguardia de la capacidad científica. Aunque es poco probable que la redefinición del kilogramo cambie su vida diaria, los efectos finales de definir un sistema de medida más preciso a menudo son generalizados y profundos.
Tomemos, por ejemplo, el segundo. Desde 1967, la definición de un segundo se ha basado en la frecuencia de un láser de microondas, y sin esta precisión, la tecnología GPS sería imposible. Cada satélite GPS lleva un reloj atómico, crítico para corregir el hecho de que el tiempo pasa infinitamente pero de manera mucho más lenta en nuestros satélites a medida que orbitan la Tierra a altas velocidades, un efecto predicho por la teoría de la relatividad de Einstein. Sin la nueva definición, no podríamos corregir estas pequeñas fracciones de segundo, y a medida que crecieran, las mediciones de GPS se desviarían más y más del rumbo, haciendo que todo, desde Google Maps hasta municiones guiadas por GPS, no fuera más que ciencia ficción.
La relación entre el segundo y el GPS revela el entrelazamiento fundamental de la metrología y la ciencia: el avance de la investigación requiere y permite nuevos estándares de medida, y esos nuevos estándares de medida a su vez permiten una investigación más avanzada. Se desconoce dónde este ciclo finalmente llevará a nuestra especie, pero después de la muerte de la barra del medidor y el abandono del segundo como se define por una fracción de un día, una cosa está clara: el IPK está al lado de la guillotina.
The Kibble Balance
La balanza NIST-4 Kibble, operada por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. A diferencia de las balanzas Kibble anteriores, el NIST-4 utiliza una rueda de equilibrio que funciona como una polea en lugar de una viga. El balance midió la constante de Planck dentro de una incertidumbre de 13 partes por mil millones. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Los físicos han sabido durante décadas que el kilogramo podría definirse en términos de la constante de Planck, pero no fue hasta hace poco que la metrología avanzó lo suficiente como para medir el número con tanta precisión que el mundo aceptaría una nueva definición. Para 2005, un grupo de científicos del NIST, NPL y el BIPM, a quienes Newell llama "la pandilla de los cinco", comenzaron a impulsar el problema. Su artículo sobre el tema se titula, Redefinición del kilogramo: una decisión cuyo momento ha llegado .
"Lo considero un artículo de referencia", dice Newell. "Fue muy provocativo, molestó a la gente".
Una de las tecnologías clave para medir la constante de Planck identificada en el documento es un balance de vatios, conceptualizado por primera vez por Bryan Kibble en NPL en 1975. (Después de su muerte en 2016, el saldo de vatios pasó a llamarse el saldo de Kibble en honor de Bryan Kibble).
El equilibrio de Kibble es, en un nivel fundamental, la evolución de una tecnología que se remonta a más de 4.000 años: balanzas. Pero en lugar de pesar un objeto contra otro para comparar los dos, una balanza Kibble permite a los físicos pesar una masa contra la cantidad de fuerza electromagnética requerida para sostenerla.
"El equilibrio funciona al pasar una corriente a través de una bobina en un campo magnético fuerte, y eso genera una fuerza, y puede usar esa fuerza para equilibrar el peso de una masa", dice Ian Robinson de NPL, quien trabajó con Bryan Kibble en el primer vatio se equilibra desde 1976 en adelante.
La balanza opera en dos modos. El primero, modo de pesaje o fuerza, equilibra una masa contra una fuerza electromagnética igual. El segundo modo, velocidad o modo de calibración, utiliza un motor para mover la bobina entre los imanes mientras la masa no está en equilibrio, generando un voltaje eléctrico que le da la fuerza del campo magnético expresado como una medida de fuerza eléctrica. Como resultado, la fuerza de la masa en el modo de pesaje es igual a la fuerza eléctrica generada en el modo de velocidad.
La fuerza eléctrica se puede calcular en función de la constante de Planck gracias al trabajo de dos físicos ganadores del Nobel, Brian Josephson y Klaus von Klitzing. En 1962, Josephson describió un efecto eléctrico cuántico relacionado con el voltaje, y von Klitzing reveló un efecto cuántico de resistencia en 1980. Los dos descubrimientos permiten calcular la fuerza eléctrica del equilibrio de Kibble en términos de mediciones cuánticas (usando la constante de Planck), que, a su vez, equivale a la masa de un kilogramo.
Además del balance de Kibble, el papel de la "pandilla de cinco" aborda otra forma de calcular la constante de Planck: creando esferas de átomos de silicio-28 prácticamente puros, los objetos más perfectamente redondos jamás creados por la humanidad. Se puede medir el volumen y la masa de un solo átomo en la esfera, lo que permite a los metrólogos y químicos refinar la constante de Avogadro (el número de entidades es un mol), y a partir del número de Avogadro, se puede calcular el de Planck a través de ecuaciones ya conocidas.
"Necesita dos formas de hacer esto para tener la confianza de que no hay un problema oculto en un solo método", dice Robinson.
Una pizarra blanca en el NIST explica cómo una balanza Kibble puede igualar una medida mecánica (el peso de una masa de kilogramo) a una medida eléctrica (la fuerza de la corriente eléctrica requerida para sostener el kilogramo, expresada en función de la constante de Planck). (Jay Bennett) Para redefinir el kilogramo, un cambio que se implementará el 20 de mayo de 2019, la Conferencia General de Pesos y Medidas requirió al menos tres experimentos para calcular la constante de Planck a una incertidumbre de no más de 50 partes por billón, una de que debe calcular el valor dentro de una incertidumbre de 20 partes por mil millones. El esfuerzo internacional de la esfera de silicio se ha vuelto lo suficientemente preciso como para lograr una incertidumbre de solo 10 partes por mil millones, y cuatro mediciones de equilibrio de Kibble también produjeron valores dentro de la incertidumbre requerida.
Y como resultado de todas estas medidas, mucho más que el kilogramo está a punto de cambiar.
El nuevo sistema internacional de unidades
Más que redefinir el kilogramo, la 26ª reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) está estableciendo un valor fijo para la constante de Planck y, como resultado, promulgando la mayor transformación del Sistema Internacional de Unidades desde su inicio en 1960 Anteriormente, la constante de Planck se medía sin cesar, se promediaba con otras mediciones en todo el mundo, y cada pocos años se entregaba una lista de nuevos valores a las instituciones de investigación.
"Nadie medirá la constante de Planck una vez que este [voto] haya pasado, porque su valor habrá sido definido", dice Davis.
Además de la constante de Planck, la constante de Avogadro se establecerá en un valor fijo, al igual que la carga elemental ( e, la carga de un protón) y el punto triple del agua (la temperatura a la que el agua puede existir como un sólido, líquido o gaseoso, que se definirá como 273.16 grados Kelvin, o 0.01 grados C).
Al establecer la constante de Planck como un valor absoluto, los científicos se alejan de las mediciones mecánicas convencionales y adoptan un conjunto de mediciones eléctricas cuánticas para definir nuestras unidades fundamentales. Una vez que se define la constante, se puede usar para calcular un rango de masas desde el nivel atómico hasta el cósmico, dejando atrás la necesidad de escalar el IPK en partes medibles más pequeñas o hasta masas enormes.
"Si tiene un artefacto, solo ancla su escala en un punto", dice Schlamminger. "Y a una constante fundamental no le importa la escala".
Ian Robinson con el saldo Kibble Mark II. Construido por el Laboratorio Nacional de Física (NPL) en el Reino Unido, Mark II fue adquirido posteriormente por el Consejo Nacional de Investigación (NRC) de Canadá, donde se utilizó para medir el valor de la constante de Planck dentro de una incertidumbre de 9 partes por mil millones. (Imagen cortesía de NPL) El nuevo valor para la constante de Planck también cambia las definiciones de nuestras unidades eléctricas, como la definición de amperio de 1948. Los físicos han usado durante mucho tiempo los efectos Josephson y von Klitzing para calcular los valores eléctricos con precisión, pero estas mediciones no pueden ser parte del SI hasta que una de sus variables, la constante de Planck, sea un valor fijo.
“Siempre me molestó que si quería obtener mi voltio SI o mi ohmio SI, tenía que pasar el kilogramo. Tuve que pasar por una unidad mecánica para obtener mis unidades eléctricas ”, dice Newell. "Eso parecía muy del siglo XIX, y lo fue".
Ahora, las unidades eléctricas se utilizarán para obtener el kilogramo.
"La gente habla de, oh, es la redefinición del kilogramo, pero creo que esto realmente pierde un punto importante", dice Schlamminger. "Vamos a llevar estas unidades eléctricas de vuelta al SI".
Para todas las personas, para todos los tiempos
Hay más de media docena de balanzas Kibble en todo el mundo, y muchos países desde América del Sur hasta Asia están construyendo las suyas propias, porque una vez que los científicos tienen una, tienen la herramienta para acceder al kilogramo y muchas otras unidades y medidas fundamentales definidas por naturaleza. El kilogramo ya no se limitará a una bóveda, donde pocos tienen el privilegio de acceder a él, y todos tienen tanto miedo de tocarlo que no se usa sino una vez cada medio siglo.
"Significa que ahora, lo que podemos hacer es difundir el modo de determinar la masa en todo el mundo", dice Robinson.
Para los científicos cuyo trabajo afecta este cambio, el nuevo Sistema Internacional de Unidades es una ocasión histórica.
"Todavía estoy un poco preocupado de que todo esto sea un sueño, y mañana me despierto, y no es cierto", dice Schlamminger. "Creo que esto está terminando el arco en el que la gente comenzó a pensar antes de la Revolución Francesa, y la idea era tener medidas para todos los tiempos para todas las personas".
Stephan Schlamminger explica el equilibrio de Kibble con un modelo de Lego en funcionamiento en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Maryland. (Jay Bennett) "Este ha sido uno de los mejores momentos de mi vida", dice Klaus von Klitzing, del Instituto Max Planck, cuya constante se consolidará como un valor fijo como resultado del nuevo SI. "Esto es maravilloso. Tenemos la unificación de estas unidades cuánticas ... con las nuevas unidades SI, y por lo tanto esta es una situación maravillosa ".
Tales cambios en nuestros valores fundamentales para describir el universo no se presentan con frecuencia, y es difícil imaginar cuándo ocurrirá nuevamente. El medidor se redefinió en 1960 y luego nuevamente en 1984.
El segundo fue redefinido en 1967. "Ahora que fue un cambio bastante revolucionario", dice Davis. "La gente de la eternidad había dicho el tiempo por la rotación de la Tierra, y de repente cambiamos a una vibración en un átomo de cesio".
Si la redefinición del segundo fue un cambio más fundamental para la comprensión humana que la redefinición del kilogramo no es para decirlo, pero, como el segundo, el kilogramo redefinido es sin duda un momento notable en el avance de nuestra especie.
"Deshacerse del último artefacto ... eso es lo histórico", dice Davis. “Los estándares de medición se han basado en estos artefactos, realmente, desde que alguien lo sabe. Las excavaciones en tiempos neolíticos muestran estándares (longitudes estándar, masas estándar) que son pequeños pedazos de roca o algo así. Y así es como la gente lo ha estado haciendo durante milenios, y este es el último ".
El SI cambiará nuevamente, aunque principalmente como una cuestión de reducir las incertidumbres ya infinitesimales, o cambiar a una longitud de onda diferente de luz o medida química que sea un poco más precisa. En el futuro, incluso podemos agregar unidades al SI para valores que aún no hemos pensado definir. Pero es posible que nunca más volvamos a hacer lo que hacemos ahora, dejar atrás la comprensión de nuestros antepasados y adoptar un nuevo sistema de medida.
