¿Un kilo dejará de ser un kilo?

El próximo viernes, el Organismo Internacional de Medidas y Pesos anunciará nuevas dimensiones de kilogramo, ampere, kelvin y mol, unidades fundamentales del Sistema Internacional de Unidades que entrarán en vigencia en mayo de 2019. “En lugar de artefactos se tomarán como referencia, distintos parámetros de la naturaleza”, explicaron expertos ¿Cuál será su impacto en la ciencia, la tecnología y en la vida cotidiana?

El próximo 16 de noviembre miembros de la comunidad científica se reunirá en el Palacio de Versalles, en París, para aprobar la mayor revisión del Sistema Internacional de Unidades -desde su instauración en 1960-, en el marco de la Conferencia General de Pesas y Medidas. Los cambios entrarán en vigencia en mayo de 2019 y suponen la redefinición del ampere, el kilogramo, el kelvin y el mol; y la reformulación del metro, el segundo y la candela. “Se va a votar el cambio en la forma de definir las unidades de medida. No es que un kilo va a pesar más o menos, sino sería un problema. Lo que va a cambiar es la forma en que definimos las unidades de base del sistema internacional de unidades.

Casi ciento cincuenta años

Las unidades que utilizamos en nuestra vida cotidiana en la industria en la ciencia -el kilo, el metro, el ampere, el segundo- son fruto de un acuerdo diplomático que ya tiene más de 100 años, se firmó en 1875. La Argentina fue uno de los 16 signatarios. Hoy, el acuerdo tiene más de 100 países miembro y es en estas conferencias que se aprueban los cambios producidos en la ciencia y la tecnología”, explicó Héctor Laiz, gerente de Metrología Calidad y Ambiente del INTI y miembro del Comité Internacional de Pesas y Medidas, que participará de la conferencia como parte de la delegación argentina, en diálogo con Nelson Castro, por radio Continental.

Sistema Internacional

El SI actual consta de siete unidades básicas, más un amplio grupo de unidades derivadas, junto a un conjunto de prefijos adoptados para denominar los valores de aquellas magnitudes que son mucho más grandes o mucho más pequeñas que la unidad básica. Las siete unidades básicas del SI, establecidas por convenio, se consideran dimensionalmente independientes entre sí y son: metro, kilogramo, segundo, amperio, kelvin, mol y candela.

El SI no es estático, sino que evoluciona para adaptarse a los requisitos de medición mundiales, cada vez más exigentes. Actualmente, tras años de trabajo e investigaciones de sus miembros, se está concluyendo el proceso que conducirá a la revisión más importante esta semana en París.

Un antecedente importante de lo que sucederá el próximo es una reunión que hubo el 20 de octubre de 2017, donde el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) aprobó una resolución recomendando a la CGPM la aprobación de la redefinición de cuatro unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI): kilogramo, amperio, kelvin y mol. Esta recomendación se presentará el viernes y si resulta aprobada -como prevén-, las cuatro unidades mencionadas se basarán en los valores exactos de cuatro constantes universales. Los cambios entrarían en vigor el día Mundial de la Metrología, el 20 de mayo de 2019. 

“La decisión del CIPM de proponer esta resolución sobre la revisión del SI a la 26ª CGPM supone el paso definitivo hacia el establecimiento de un Sistema Internacional de Unidades basado en constantes invariables de la naturaleza. Esta decisión, según reconoce el Dr. Barry Inglis, presidente del CIPM, se basa en el trabajo y aportaciones sobresalientes de muchos metrólogos y en los compromisos de los institutos nacionales de metrología para llevar a cabo los experimentos a largo plazo necesarios sobre cuyos resultados basar esta decisión. Las magnitudes se han elegido de forma que las definiciones revisadas no deban modificarse para acomodar futuras mejoras en las tecnologías utilizadas para sus realizaciones prácticas.

“A partir de ahora, todas las unidades se definirán en base a constantes de la naturaleza en lugar de artefactos, propiedades de materiales o experimentos teóricos irrealizables, como sucede en la actualidad. Esto permitirá a los científicos que trabajan con el más alto nivel de exactitud realizar las unidades en diferentes lugares o momentos, con cualquier experimento apropiado y en cualquier valor de la escala”, subrayó Héctor Laiz en acuerdo con Inglis en diálogo con Nelson Castro.

Actualmente, un kilo está definido como el equivalente a una masa del “gran K”, un cilindro de platino e iridio conservado desde 1889 en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), basada en Sèvres, cerca de París. Como no es posible calibrar todas las balanzas del mundo en función de esta pieza, existen copias. Y es ahí donde el sistema
empieza a fallar.

A pesar de que el prototipo y las copias fueron fabricados en la misma época, bajo el mismo método y conservados en  condiciones iguales, de forma aleatoria se contraen o ensanchan ligeramente con el paso del tiempo.

Si bien el sistema fue revisado en diversas oportunidades, es la primera vez en la historia que se redefinen cuatro unidades base a la vez y con colaboraciones simultáneas en todo el mundo. “Este cambio no afectarán los resultados de las mediciones en la vida cotidiana, pero sí tendrá un gran impacto al más alto nivel de exactitud en la ciencia y la tecnología”, anticipó Laiz, quien también preside el Sistema Interamericano de Metrología.

Cuando se redefinió el metro (antes era la longitud de una barra de platino e iridio) en 1983, se hizo en función de la distancia que recorre la luz en una fracción de segundo. El metro va a seguir siendo definido de ese modo. Actualmente existen unos 50 laboratorios en el mundo que hacen eso; en Sudamérica el INTI y el Inmetro en Brasil.

¿Qué pasará con las compras?

En el caso del kilogramo, no será necesario modificar las balanzas de los comercios. Sin embargo, se producirá un cambio muy importante porque actualmente esta unidad de medida está definida por un objeto físico que se guarda en la BIPM, pero en unos días estará basada en la asignación de una nueva constante que abordaremos a continuación. Esta medición será más segura porque, por ejemplo, se estima que el patrón original del kilogramo ha perdido en un siglo 50 microgramos, debido probablemente a la pérdida de átomos.

Cambio por cambio

A continuación, se incluye información sobre cómo las nuevas propuestas podrían afectar a las diferentes áreas de medición:

-El kilogramo se definirá en términos de la constante de Planck*, garantizando la estabilidad a largo plazo de la escala de masas del SI. El kilogramo puede realizarse mediante cualquier método adecuado (por ejemplo, la balanza (de potencia) de Kibble o el método de Avogadro (determinación de densidad de cristales por rayos X). Los usuarios podrán obtener trazabilidad al SI de las mismas fuentes utilizadas en la actualidad (el BIPM, los institutos nacionales de metrología y los laboratorios acreditados). Las comparaciones internacionales garantizarán su coherencia. El valor de la constante de Planck se elegirá de forma que garantice el que no haya ningún cambio en el kilogramo SI en el momento de la redefinición. Las incertidumbres de calibración ofrecidas por los INM a sus clientes tampoco se verán afectadas en su gran mayoría.

-El amperio y otras unidades eléctricas, en sus actuales realizaciones prácticas al más alto nivel metrológico, obtendrán la total consistencia de los métodos con sus definiciones. La transición desde la convención de 1990 al SI revisado dará lugar a pequeños cambios en todas las unidades eléctricas diseminadas. Para la gran mayoría de los usuarios de las mediciones, no será necesario tomar ninguna medida, ya que el voltio cambiará en aproximadamente 0,1 partes por millón y el ohmio cambiará aún menos. Únicamente los profesionales que trabajan al más alto nivel de exactitud pueden necesitar ajustar los valores de sus patrones y revisar sus balances de incertidumbre de medida.

-El kelvin se redefinirá sin causar un efecto inmediato en la práctica de la medición de la temperatura o en la trazabilidad de las mediciones de temperatura y, para la mayoría de los usuarios, pasará desapercibido. La redefinición sienta las bases para futuras mejoras. Una definición libre de limitaciones materiales y tecnológicas permite el desarrollo de técnicas nuevas y más exactas para obtener mediciones de temperatura trazables al SI, especialmente en temperaturas extremas. Después de la redefinición, directrices sobre la realización práctica del kelvin respaldarán su diseminación mundial al describir los métodos primarios para la medición de la temperatura termodinámica e igualmente mediante las escalas definidas ITS-90 y PLTS-2000.

-El mol se redefinirá con respecto a un número específico de entidades (típicamente átomos o moléculas) y ya no dependerá de la unidad de masa, el kilogramo. La trazabilidad al mol aún podrá seguirse estableciendo a través de todas las vías empleadas anteriormente que incluyen, pero no se limitan a, la utilización de mediciones de masa junto con tablas de pesos atómicos y la constante de masa molar Mu. Los pesos atómicos no se verán afectados por este cambio en la definición y Mu seguirá siendo 1 g/mol, aunque ahora con una determinada incertidumbre de medición. Esta incertidumbre será tan pequeña que la definición revisada del mol no requerirá ningún cambio en la práctica común.
Las definiciones revisadas del kilogramo, amperio, kelvin y mol no tendrán ningún impacto en el segundo, el metro y la candela.

-El segundo  continuará definiéndose en términos de la frecuencia de transición hiperfina del átomo de cesio 133. La cadena de trazabilidad al segundo no se verá afectada. Tampoco, la metrología de tiempo y frecuencia.

-El metro en el SI revisado seguirá definiéndose en términos de la velocidad de la luz, una de las constantes fundamentales de la física. La práctica de la metrología dimensional no deberá modificarse en modo alguno y se beneficiará de la mayor estabilidad a largo plazo del sistema.

-La candela seguirá definiéndose en términos de Kcd, una constante técnica para la fotometría y, por lo tanto, continuará vinculada al vatio. La trazabilidad a la candela se seguirá obteniendo con la misma incertidumbre de medición a través de métodos radiométricos utilizando detectores absolutos debidamente calibrados.
El SI ha sido revisado varias veces desde su adopción formal por la CGPM en 1960. Sin embargo, la redefinición de cuatro unidades básicas a la vez no tiene precedentes, requiriendo la colaboración mundial simultánea en diversos campos de la metrología. Como en el pasado, se ha tenido cuidado para asegurar que no haya un impacto perceptible en la vida diaria y que las mediciones hechas con las definiciones previas de las unidades sigan siendo válidas dentro de sus incertidumbres de medición. Pocos usuarios fuera de los laboratorios nacionales de metrología notarán los cambios. Alcanzar las exactitudes experimentales y cumplir las condiciones exigidas en las resoluciones de la CGPM ha sido un logro notable, que garantizará que el SI continúe satisfaciendo las necesidades de incluso los usuarios más exigentes.

Un importante paso para la medición

El uso de constantes de la naturaleza para definir las unidades de medida internacionales permitirá a la comunidad científica y a la industria obtener y diseminar con mayor exactitud sus mediciones, desde las más pequeñas hasta las más grandes, cumpliendo así con los requisitos de medición modernos. Vinculará además con mayor precisión las mediciones a escala atómica y cuántica con las del nivel macroscópico.

Así como la redefinición del segundo contribuyó grandemente a la navegación GPS, se espera que la próxima revisión del SI fomente el desarrollo de las nuevas tecnologías en espera, al tiempo que mantiene la continuidad con las actuales.

“El próximo viernes será un día histórico para la sociedad si tenemos en cuenta que las medicciones no sólo son clave en nuestras actividades diarias sino que también para la industria, la investigación, la innovación, el comercio y la cooperación internacional”, Auguró Héctor Laiz.

Un cambio histórico

Martin Milton, director del Bureau des Poits et Measures, en ocasión del Congreso Nacional de la Sociedad Italiana de Física, celebrado en Rende (Italia), el pasado 17 de septiembre explicó a un medio nacional “En 2017 pensamos que no era posible determinar la constante de Plank con la precisión que nos habíamos prefijado, debido a las limitaciones de la tecnología actual, pero pronto nos dimos cuenta de que, incluso si no éramos tan buenos como pensábamos, éramos suficientemente buenos para establecer un nuevo estándar para unidades de medida”. El proceso de este cambio comenzó desde la propuesta avanzada en 2005 por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), en los Estados Unidos, de la Universidad de Reading, en el Reino Unido, y del mismo BIPM.

El mayor desafío ha sido crear herramientas que pudieran medir las diferentes cantidades físicas en términos de constantes universales, con una precisión de uno en cien millones. Quince años pueden parecer muchos, pero Milton deja en claro que “fue uno de los avances más rápidos en la historia de la ciencia si se compara, por ejemplo, con el láser”, que tuvo que esperar unos treinta años entre su teorización y su realización práctica. Y agrega: “El próximo desafío será la redefinición del segundo para 2030, enviando al espacio relojes ópticos, distribuidos en la órbita geoestacionaria, uno para cada zona horaria”.

*Es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Planck, uno de los padres de dicha teoría. Denotada como, es la constante que frecuentemente se define como el cuánto elemental de acción, h= 6,626 070 15 × 10−34 kg m2 s-1 (Wikipedia)