En Sèvres, una pequeña comuna en las afueras de París, yace un trozo de metal reluciente del tamaño de una palma. Le Grand K, o Big K como llaman a la aleación de platino e iridio, se encuentra bajo tierra en una bóveda de alta seguridad. Se lleva a cabo debajo de tres tinajas de vidrio, y solo se puede recuperar con tres claves independientes, cada uno en manos de diferentes individuos.
Contrariamente a las apariencias, la manipulación y el robo no son la mayor preocupación para quienes protegen a Big K. En cambio, Los custodios del artefacto han pasado los últimos años preocupándose de que la aleación no esté a la altura de la reputación que se ha mantenido durante el siglo pasado, que ya no tiene exactamente un kilogramo de masa. pero microgramos más ligero.
Estar fuera de lugar por aproximadamente el peso de un grano de arena puede parecer trivial, pero Big K es el prototipo internacional del kilogramo. En otras palabras, es el patrón oro con el que se miden todos los demás kilogramos del mundo. La más mínima discrepancia en la precisión de Big K afecta campos como la medicina, electrónica e ingeniería, sectores donde las mediciones precisas son primordiales. Pero un kilogramo fluctuante también tiene efectos ondulantes en otros fenómenos, como la fuerza, energía e intensidad luminosa, que la utilizan como componente básico para las mediciones.
Debido a las consecuencias de gran alcance que tiene un Big K impreciso, Los científicos ahora están buscando un estándar más confiable y estable para el kilogramo, uno que no se centre en una sola pieza de metal. Su objetivo:redefinir el kilogramo utilizando un nuevo estándar físico para finales de 2018.
"Estamos a punto de presenciar un cambio revolucionario en la forma en que se define el kilogramo, ", dijo el físico Klaus von Klitzing mientras hablaba en el CERN en octubre pasado. Von Klitzing, quien ganó el Premio Nobel de Física de 1985, es uno de los científicos involucrados en el cambio de imagen del kilogramo.
El cambio, muchos discuten, está muy atrasado. El kilogramo es una de las siete unidades básicas que componen el Sistema Internacional de Unidades (SI), el sistema de medición más utilizado en el mundo en la actualidad. Originalmente tanto el kilogramo como el metro fueron definidos por prototipos y el tiempo fue fijado por la rotación de la tierra, sin embargo, mientras tanto, más y más unidades base están conectadas a cantidades físicas de la naturaleza que permanecen iguales independientemente del tiempo o la ubicación.
Un segundo, por ejemplo, se define como el tiempo que tarda el átomo de cesio-133 en completar 9, 192, 631, 770 períodos de radiación para una transición específica. Un metro solía estar representado por una barra de metal almacenada junto a Big K en Francia, pero ahora se define por qué tan lejos viaja la luz en el vacío durante 1/299, 792, 458 de segundo.
El kilogramo sigue siendo la única unidad SI representada por un artefacto inestable. Entonces, en 2014, miembros de la Conferencia General de Pesas y Medidas, el organismo internacional que supervisa el sistema SI, votó para redefinir el kilogramo en términos de la constante de Planck, una constante fundamental de la mecánica cuántica.
La redefinición es un gran problema, dice John Pratt del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el organismo responsable de la estandarización de pesos y medidas en los Estados Unidos. La nueva definición significa que podemos cambiar de "una definición de masa del siglo XIX a una definición de masa más del siglo XXI o del siglo XXI, ", Dijo Pratt." Podríamos basarnos en una idea más que en un objeto ".
Cuando el patrón oro es inestable, como ha demostrado Big K, es un "gran inconveniente, ", dijo Pratt. La pérdida de peso no contabilizada de Big K significa que sus cilindros hermanos, fabricados por Big K y enviados a todo el mundo para su calibración, ya no son idénticos al estándar de oro. Las copias del NIST, por ejemplo, difieren de Big K en aproximadamente 45 microgramos, el peso de una pestaña. Eso causó estragos hace varios años, lo que lleva a que el NIST vuelva a emitir certificados por sus kilogramos, y las empresas que producen pesas basadas en los estándares del NIST tienen que fabricar pesas nuevas.
La redefinición del kilogramo de acuerdo con la constante de Planck ayudará a evitar estos problemas por completo. Sin embargo, Los físicos necesitan primero obtener una medida suficientemente buena de la constante de Planck, el número mecánico-cuántico que relaciona cómo se relaciona la energía de una partícula con su frecuencia y, a través de E =mc2, a su masa. Una vez que los científicos asignan un valor fijo exacto a la constante de Planck, podrán derivar una nueva definición del kilogramo.
Actualmente se están realizando dos tipos de experimentos, ambos buscan medir la constante de Planck con extraordinaria precisión. El primero es el Proyecto Avogadro, dirigido por un equipo internacional de científicos. Implica contar el número de átomos en dos esferas de silicio que pesan cada una lo mismo que Big K. Con este número, el número exacto de átomos que comprenden una sustancia en particular, los investigadores pueden calcular la constante de Avogadro, conviértalo en un valor para la constante de Planck y así relacione el kilogramo con la masa atómica.
El segundo método utiliza un dispositivo llamado vatio, o croquetas, equilibrio. Es una especie de escala que produce un valor para la constante de Planck midiendo una masa de prueba de un kilogramo, calibrado con Big K, contra fuerzas electromagnéticas. La constante de Planck es proporcional a la cantidad de energía electromagnética requerida para equilibrar la masa.
Para calcular la corriente y el voltaje que componen la fuerza electromagnética, físicos del NIST, quienes lideran el proyecto, utilice dos constantes universales diferentes. Uno es la constante de Josephson, mientras que el otro es la constante de von Klitzing. Fue el descubrimiento de este último, parte del efecto Hall cuántico, que le valió a von Klitzing el Premio Nobel de Física de 1985.
Cinco años antes, von Klitzing, del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Alemania, realizaron experimentos para observar el efecto de los campos magnéticos aplicados a semiconductores que habían sido enfriados a temperaturas extremadamente bajas. Descubrió que en sus experimentos la resistencia eléctrica aumentaba de manera escalonada:una fracción entera de un número específico, 25, 812,807 ohmios, que ahora se llama la constante de von Klitzing.
El efecto Hall cuántico, como se llama el fenómeno, ahora se utiliza a nivel mundial para calibrar resistencias eléctricas. Los científicos pueden usar la constante de von Klitzing para medir la corriente en una balanza de vatios.
"Con la ayuda de constantes fundamentales, tenemos la posibilidad de establecer unidades que necesariamente conserven su significado para todas las culturas, incluso sobrenaturales y humanos, "fue una declaración visionaria de Max Planck hace más de 100 años y hoy tenemos la oportunidad de hacer realidad esta visión. El efecto Hall cuántico desencadenó esta realización.
Von Klitzing estará en Singapur a finales de este mes para participar en la Cumbre Mundial de Jóvenes Científicos anual. El evento de cinco días, organizado por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur, tiene como objetivo facilitar las interacciones de brillantes, jóvenes investigadores internacionales con científicos eminentes para debatir áreas clave de la ciencia y la investigación, innovación tecnológica y sociedad, y soluciones a los desafíos globales.
Entre los temas que se discutirán está el cambio de imagen del kilogramo. En noviembre, los miembros de la Conferencia General de Pesas y Medidas se reunirán en Versalles, Francia, votar sobre la nueva definición del kilogramo, junto con el del amperio, kelvin y mole. Si se aprueba, los valores actualizados y fijos entrarán en vigor a partir del 20 de mayo, 2019, en el Día Mundial de la Metrología.
