Una réplica del prototipo del kilogramo en la Cité des Sciences et de l'Industrie, París, Francia. Crédito de la imagen: Wikipedia user Japs 88
Por Brian Koberlein, para Forbes Julio 10 de 2017
Escribo sobre el Universo tal y como lo entendemos ahora.
Las opiniones expresadas por los colaboradores de Forbes son exclusivamente de ellos.
Hay una roca mágica en St. Cloud, Francia. No está hecha de piedra, sino de una aleación metálica que tiene un 90% de platino y un 10% de iridio, y es magia no a través de una fuerza sobrenatural, sino porque los científicos han declarado que tiene una masa de exactamente 1 kilogramo. Ahora muchos científicos quisieran deshacerse de él.
Nuestra civilización se basa en un sistema de estándares de medición. Si dos personas quieren comerciar, tienen que ponerse de acuerdo en lo que es una libra. Si usted paga a un contratista para construir un edificio de 100 pies de altura, tiene que estar de acuerdo en la longitud de un pie. A lo largo de la historia los seres humanos han tenido normas de medición, a menudo dictadas por decreto gubernamental. Pero desde principios del siglo XIX ha habido una búsqueda para crear un estándar verdaderamente universal de mediciones. Esto se convirtió en el sistema métrico, que fue estandarizado más adelante al Système international d'unités (SI) en 1960. El estándar del SI se ha convertido en la base para la medida a través del globo. Definen las unidades físicas que usamos para medir las cosas. Incluso en los Estados Unidos, cantidades como el pie y la libra se definen en términos de unidades del SI.
Las unidades SI más comunes son las del metro (longitud), segundo (tiempo) y kilogramo (masa). En el siglo XIX se basaron en las características físicas de la Tierra. Se definió un metro declarando que la circunferencia de la Tierra era de 40.000 kilómetros. Un segundo se definió declarando la duración de un día promedio de 24 horas. Un kilogramo se definió como la masa de un litro (1000 centímetros cúbicos) de agua. Si bien estas definiciones inicialmente funcionaron bien, a medida que nuestras mediciones se hicieron más precisas, las cosas se convirtieron en problemáticas. Como la medida de la circunferencia de la Tierra mejoró, la longitud de un metro necesariamente cambiaría. Dado que el volumen de un litro se define en términos de longitud, la masa de un kilogramo también se desplaza. Medidas precisas de la rotación de la Tierra mostraron que la duración de un día variaba, por lo que incluso el segundo no estaba enteramente fijo.
Espectro de emisión de una lámpara de sodio de alta presión. Crédito de la imagen: Chris Heilman
Hay dos maneras de definir un conjunto de unidades que no varían. Una es definir un objeto particular para ser un estándar exacto, y el otro es definir las unidades en términos de constantes físicas universales. El medidor y el segundo se definen ahora mediante el método posterior. Por ejemplo, en la teoría de la relatividad de Einstein, la velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma. No importa dónde estés en el universo, o cómo te mueves por el espacio, la velocidad de la luz nunca cambia. Es una constante física absoluta. Esto se ha verificado a través de numerosos experimentos, y en 1983 se le dio un valor exacto. Por definición, la velocidad de la luz es de 299.792.458 metros por segundo. Al definir este valor, también definimos la longitud de un metro. Puesto que la velocidad de la luz es constante, si sabes cuánto tiempo dura un segundo, sabes la longitud de un metro.
La longitud de un segundo también se define en términos de luz. En los años sesenta, habíamos desarrollado relojes atómicos basados en el cesio 133. Como todos los elementos, el cesio 133 emite luz en frecuencias específicas. La luz es emitida desde un átomo cuando un electrón se mueve de un estado cuántico de energía más alta a uno inferior, y bajo las condiciones correctas son siempre los mismos. Una emisión particular del cesio 133 se conoce como el estado de tierra hiperfino, y se utiliza para regular un reloj atómico la manera que el oscilación de un péndulo regula un reloj de abuelo. En 1967 la frecuencia de luz emitida por esta transición hiperfina se definió como 9.192.631.770 Hz. Al medir la frecuencia, usted sabe la longitud de un segundo.
Dado que el medidor y el segundo están basados en constantes físicas, no cambian. También pueden medirse en cualquier parte del universo. Si una civilización extraterrestre quería saber qué unidades utilizamos, podríamos enviarles un mensaje de radio con la definición de metros y segundos, y los alienígenas podrían recrear esas unidades. Pero desde 1889, el kilogramo ha sido definido por un trozo específico de metal conocido como Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK). Si los alienígenas quisieran saber la masa de un kilogramo, tendrían que hacer un viaje a Francia.
El cambio de masa relativo de las copias del kilogramo con el tiempo. Crédito de la imagen: Greg L at English Wikipedia
Además del viaje por carretera necesario para los extranjeros, hay un gran problema con el uso de una roca mágica como el kilogramo estándar. Dado que la masa del IPK es exacta por definición, no puede cambiar en ninguna circunstancia. Si alguien fuera a afeitar un pedazo de metal, todavía sería un kilogramo por definición. Ahorrando el IPK un poco no haría que el kilogramo más ligero, que haría todo lo demás en el mundo un poco más pesado. Por supuesto, eso no tiene ningún sentido. El afeitado de un poco de metal en Francia no hace que la Estatua de la Libertad pesa más. El problema es con nuestra definición de masa. Y en cierto sentido este tipo de cosas realmente sucede. Además del kilogramo oficial del prototipo, hay copias oficiales en todo el mundo. Al comparar las copias con el IPK, podemos determinar la estabilidad de su masa. Esto sólo se ha hecho varias veces a lo largo de los años, pero en promedio la masa de las copias ha aumentado ligeramente en comparación con el IPK. O bien el kilogramo oficial se está encendiendo, o las copias son cada vez más pesadas.
El kilogramo estándar no ha sido reemplazado por una constante física porque no hemos podido medirlas con suficiente precisión. La constante física obvia para la masa sería la constante universal de la gravedad G. Pero la gravedad es una fuerza débil, y medir G es difícil. Hasta ahora sólo lo hemos medido a una parte en 10.000, lo que no es lo suficientemente preciso para definir la masa. Pero hay otra constante que podríamos usar, y es conocida como la constante de Planck.
La constante de Planck está en el corazón de la teoría cuántica. Fue presentado por Max Planck en su estudio de la luz. Cuando los objetos son calentados, emiten luz, y el color de esa luz depende de la temperatura del objeto. Esto se conoce como radiación de cuerpo negro. Según la teoría clásica, la mayor parte de la luz emitida debería tener longitudes de onda muy cortas, pero experimentalmente no era así. Planck demostró que la luz debe ser cuantizada proporcional a una pequeña constante h, que ahora llamamos constante de Planck. A medida que nuestra comprensión de la teoría cuántica creció, la constante de Planck desempeñó un papel no sólo en la cuantificación, sino en las ideas cuánticas de energía e impulso. En unidades SI, h tiene unidades de kg ∙ m2 / s. Si la constante de Planck se define para tener un valor exacto, entonces el kilograma sería definido en términos de la constante de Planck así como el metro y el segundo.
En principio es una buena idea, pero sólo puede hacerse si podemos medirla con precisión. En 2014 la Conferencia General de Poids y Medidas (CGPM) decidió que antes de que tal definición pudiera ocurrir, se necesitarían realizar tres mediciones independientes de la constante de Planck, cada una con una precisión de 50 partes por billón y una exacta de 20 partes Por mil millones. Para junio de este año se han hecho tres experimentos con incertidumbres menores de 20 partes por billón. La CGPM se reúne nuevamente en 2018, donde se espera que definan oficialmente que la constante de Planck es exactamente de 6.626069934 x 10^-34 kg ∙ m2 / s. Cuando eso sucede, el prototipo de kilogramo ya no será una roca mágica, sino simplemente una parte de la historia científica.
Y los extraterrestres no tendrán que hacer ese viaje después de todo.
――――――――――――――――――――――
With a little help from Google Translate for Business