Adiós al kilogramo como lo conocíamos

Desde 1889, Le Grand Kilo, un cilindro elegante de platino-iridio, ha reinado desde su bóveda subterránea en París. El objeto, un monarca absoluto, era la referencia exacta para saber cuánto pesa un kilogramo de masa. Científicos de todo el mundo hacían peregrinajes para verlo y llevaban consigo sus estándares nacionales del kilogramo para comparar los pesos.

“La nave nodriza no se equivoca nunca”, dijo Robert Vocke Jr., químico en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Maryland.

Pues ya no es así. El 16 de noviembre, en un pequeño centro de conferencias a unos pasos del Palacio de Versalles, varias decenas de países votaron a favor de derrocar a Le Grand Kilo y redefinir el kilogramo y otras tres unidades estándar de medición: el amperio, para la corriente eléctrica; el kelvin, para la temperatura, y el mol, que describe la cantidad de una sustancia química. La votación hace realidad un sueño del siglo XVIII. De ahora en adelante, las siete unidades en el Sistema Internacional de Unidades, también conocido como el SI, ya no se definirán según objetos materiales; se establecerán solo mediante constantes abstractas de la naturaleza.

“Este arco de la historia comenzó antes de la Revolución francesa y ahora creo que hemos concluido el ciclo”, comentó Stephan Schlamminger, físico del NIST. La “democratización de las unidades”, dijo, ahora se ha completado.

El SI se originó a finales del siglo XVIII solo con el metro y el kilogramo. La idea era estandarizar las unidades básicas de comercio y medidas científicas. Después de todo, para que un kilogramo de monedas de oro tenga un valor universal, todos tienen que llegar a un consenso sobre la definición exacta de un kilogramo.

Para 1875, diecisiete naciones habían firmado el Tratado de la Convención del Metro en París, que estableció estándares internacionales para el metro y el kilogramo. El metro se definió como la distancia entre dos marcas en una barra hueca de platino-iridio. El kilogramo estándar era Le Grand Kilo. Ambos artefactos se almacenarían bajo llave en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, con copias distribuidas a varios países.

“La gente decía que era ‘para todas las épocas y todos los pueblos'”, comentó Schlamminger.

Pero no era así. Un objeto físico podría rayarse, astillarse o incluso destruirse. Los científicos comenzaron a soñar con unidades estándar de medición que fueran siempre constantes, con definiciones basadas en los elementos del universo.

El metro alcanzó ese nivel en 1983, cuando se redefinió en términos de la velocidad universalmente constante de la luz. Los científicos habían estimado la velocidad de la luz durante siglos, pero no fue sino hasta la década de los setenta, tras experimentos que involucraban láseres en un vacío, que pudieron establecer un número: exactamente 299.792.458 metros por segundo.

El metro se definió según esa cifra, como la distancia recorrida por un rayo de luz en exactamente la 1/299.792.458 parte de un segundo. (El segundo, otra unidad fundamental, se ha definido desde 1967 como la cantidad de tiempo que le toma a un átomo de cesio-133 vibrar 9.192.631.770 veces). En efecto, un metro ya no necesitaba medirse; ahora podía conjurarse según se necesitara, “se realizaba”, para utilizar un término de la metrología.

El declive del kilogramo

In 1990, los metrólogos descubrieron que Le Grand Kilo se había vuelto misteriosamente más ligero que sus seis copias oficiales por casi 50 microgramos. El estándar del kilogramo estaba en problemas. La misión para redefinirlo comenzó.

A lo largo de los años, dos posibilidades se presentaron: medir la masa exacta de un kilogramo en términos de la fuerza electromagnética requerida para levantarlo o en términos del número específico de átomos en su masa. Sin embargo, tal como el metro antes de 1983, ninguna de esas definiciones vinculaba al kilogramo con constantes fundamentales.

El vínculo apareció en la forma de la constante de Planck, que convierte la longitud de onda macroscópica de la luz a la energía de fotones individuales de luz. Sin embargo, solo los experimentos bien ejecutados podían proporcionar cifras acordadas para esas constantes y hacer que esas unidades fueran reales para siempre.

“Si no puedes hacer eso, tu definición no sirve”, dijo Robinson.

Un método para redefinir el kilogramo surgió de una iniciativa para revisar el amperio, la medida estándar de medición para la corriente eléctrica. En 1975, a Bryan Kibble, físico en el Laboratorio Nacional de Física (NPL) en Londres, le encargaron el poco envidiable trabajo de mejorar un instrumento llamado la balanza del amperio. El dispositivo podía medir la corriente eléctrica en términos del peso, pero de manera deficiente.

“Era espantoso trabajar con ella”, dijo Anne Kibble, científica retirada del NPL y viuda de Bryan Kibble, quien murió en 2016. Kibble soñaba con un aparato distinto, que recibió el nombre de balanza de Kibble después de su muerte, y que eliminó muchas de las fuentes de imprecisión y errores que plagaban a la original.

“Todas las cosas complicadas desaparecieron”, dice Robinson, que trabajó de cerca con Kibble. Juntos, construyeron la primera balanza de Kibble, llamada NPL Mark I, en la década de los setenta.

Casi al mismo tiempo, unos físicos en otra parte del mundo descubrieron dos nuevos efectos mecánicos cuánticos, que vincularon la constante de Planck con el voltaje eléctrico y la resistencia. El instrumento de Kibble, inventado como una manera de medir la corriente eléctrica en términos del peso, sin quererlo también se convirtió en una manera de medir la constante de Planck.

Al igual que con los experimentos que medían la velocidad de la luz, en cuanto la constante de Planck se midiera con precisión extrema y se llegara a un consenso al respecto, el papel de la balanza de Kibble podría revertirse con el fin de definir un kilogramo en términos electromagnéticos.

El proyecto Avogadro

Casi al mismo tiempo, a cientos de kilómetros al este, Horst Bettin, físico del
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Alemania, estaba trabajando para representar el kilogramo de una manera muy distinta: contando átomos.

En efecto, Bettin había creado un experimento que mediría de manera precisa la constante de Avogadro, que determinó que un mol de una sustancia contiene 6,022140857 × 10^23 partículas como electrones, átomos, iones o moléculas. La cifra de Avogadro se había calculado pero, al igual que la velocidad de la luz, jamás se midió de manera precisa ni se llegó a un consenso al respecto. (Hasta ahora, la constante de Avogadro se ha redefinido como el valor 6,02214076 × 10^23).

De manera crucial, la constante de Avogadro y la constante de Planck se entrelazaron en las leyes de la física. Después de haber medido la constante de Avogadro, Bettin pudo derivar la constante de Planck. Además, con una medida precisa de la constante de Planck, pudo validar los resultados del trabajo de Kibble y viceversa.

Un heredero al trono

No obstante, el kilogramo no podía redefinirse sino hasta que los científicos hubieran derivado la misma respuesta para las constantes de Planck y de Avogadro con siete decimales.

“Lo que llamamos ‘medición’ en realidad es un estimado”, dijo Schlamminger. “Básicamente puedes calcular cuál es el valor verdadero. El valor real solo lo conoce el universo”.

Ese logro tomó veinte años. En 2008, el NPL eliminó la iniciativa de la balanza de Kibble y le vendió el instrumento al Consejo de Investigación Nacional de Canadá (NRC). Para 2014, las balanzas de Kibble del NIST y el NRC produjeron números para las constantes de Planck y de Avogadro que concordaron con los resultados del trabajo de Bettin.

La votación del 16 de noviembre cementa los valores de las constantes de Planck y de Avogadro, y libera al kilogramo de su forma material. Las cuatro nuevas definiciones -para el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol- entrarán en vigor oficialmente después del Día Mundial de la Metrología, el próximo 20 de mayo. La transición solo cobrará efecto en las fronteras de la ciencia y la tecnología; el mundo cotidiano no se dará cuenta.

“No deben notarlo, porque si lo hacen, no hemos hecho bien nuestro trabajo”, comentó Robinson, del NPL.

Le Grand Kilo se unirá a su contraparte, la barra del metro, en los archivos de la metrología. Bettin se retirará el siguiente año. A Schlamminger ahora le interesa la gran G, la constante gravitacional universal.

“Si nos encanta medir cosas, hay muchísimas cosas que pueden medirse en el mundo”, comentó.