La batalla cient¨ªfica para que un kilo siempre sea un kilo

¡°Es un esc¨¢ndalo¡±, dice William Phillips, premio Nobel de F¨ªsica en 1997, ¡°que la unidad de masa todav¨ªa sea un objeto f¨ªsico¡±. Con guantes de tela, Phillips muestra un peso met¨¢lico a los asistentes de la vig¨¦simo-sexta conferencia internacional de f¨ªsica at¨®mica, en Barcelona. Es una r¨¦plica del Prototipo de Kilogramo Internacional (IPK), el cilindro de platino-iridio guardado bajo tres llaves en un s¨®tano de Par¨ªs que define la unidad de masa del Sistema Internacional desde el siglo XIX. ¡°Si ensucio esto con mis manos, autom¨¢ticamente pesar¨¦is todos menos¡±, explica ante las risas del p¨²blico.¡°Esto hay que arreglarlo¡±, a?ade, serio.

Los metr¨®logos, que estudian la medici¨®n de magnitudes, han propuesto redefinir las unidades de medida de masa (kilogramo), corriente el¨¦ctrica (amperio), cantidad de sustancia (mol) y temperatura (kelvin) bas¨¢ndose en el valor fijo de constantes de la naturaleza, de modo que no puedan variar m¨¢s. En la conferencia, que tuvo lugar la semana pasada en el Palau Congressos de Barcelona, Phillips y el f¨ªsico brasile?o Vanderlei Bagnato explicaron c¨®mo se han alcanzado las nuevas definiciones, que entrar¨¢n en vigor previsiblemente el pr¨®ximo 20 de mayo, el aniversario del Tratado del Metro de 1875.

Cuando se cre¨® el IPK, con la idea de homologar el peso de un litro de agua l¨ªquida, tambi¨¦n se crearon copias internacionales de referencia, en teor¨ªa id¨¦nticas. Sin embargo, al intentar calibrar nuevos pesos, se ha observado que las masas de los distintos patrones del kilo, incluido el original, var¨ªan entre s¨ª por valores de al menos 50 microgramos (millon¨¦simas del gramo). El material puede absorber ¨¢tomos del entorno, y puede perderlos con la limpieza. En la ciencia, esta discrepancia es ¡°intolerable¡±, asegura Phillips, especialmente dado que que el kilogramo se utiliza para definir otras tres unidades b¨¢sicas del Sistema Internacional ¡ªla candela, el amperio y el mol¡ª y 17 unidades derivadas, como el julio y el newton.

La misi¨®n por "democratizar" el kilo

Phillips trabaja en el National Institute of Standards and Technology (NIST), en EE UU, uno de los centros de metrolog¨ªa que participa en la revisi¨®n del Sistema Internacional de Unidades. La misi¨®n de NIST era encontrar una nueva definici¨®n del kilo que no solo sea invariable, sino que adem¨¢s sea "democr¨¢tica", es decir, que est¨¦ al alcance de cualquier laboratorio que quiera calibrar un patr¨®n. "A d¨ªa de hoy, la ¨²nica forma de conocer el aut¨¦ntico valor del kilo es acudir a la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Francia, que solo ha sacado el IPK de su campana protectora un pu?ado de veces en dos siglos", protesta.

La inspiraci¨®n finalmente ha venido del metro, otra unidad b¨¢sica que en 1983 pas¨® legalmente de ser ¡°la longitud de una barra de platino en Par¨ªs¡± a ser ¡°la distancia que viaja la luz en 1/299.792.458 segundos¡±. Esta forma de fijar las unidades no es intuitiva, ya que pasa por definir primero el valor exacto de una constante de la naturaleza, a la que se impone un valor num¨¦rico arbitrario basado en las caracter¨ªsticas del objeto f¨ªsico del que la ciencia se quiere deshacer. Con el metro, los cient¨ªficos tomaron el prototipo homologado ¡ªla barra de platino¡ª para estudiar su relaci¨®n con una constante natural: la velocidad de la luz en el vac¨ªo. Al conocer exactamente qu¨¦ fracci¨®n de un segundo tarda la luz en recorrer la longitud de la barra, fijaron de forma oficial la velocidad de la luz en 299.792.458 metros por segundo.

¡°Una constante que tiene unidades no es natural¡±, explica Phillips a Materia despu¨¦s de la conferencia. ¡°Lo que tiene de natural la velocidad de la luz es que es igual para todos los observadores y para todo el espectro de luz, pero su valor num¨¦rico depende de lo que hayamos decidido que es un metro y un segundo¡±, dice. Lo importante es que ahora que est¨¢ ¡°decidido¡± el valor de la velocidad de la luz, la definici¨®n del metro nunca m¨¢s depender¨¢ de la longitud de un objeto f¨ªsico; cualquier laboratorio con un reloj at¨®mico puede medir la distancia que recorren los fotones en esa fracci¨®n de tiempo, y as¨ª conocer¨¢ la longitud exacta que ten¨ªa la barra de platino en el momento en que se fij¨® la definici¨®n del metro. Aunque el objeto se pierda o se deforme, el metro ya es atemporal.

Para inmortalizar el kilo tambi¨¦n es necesario fijar el valor num¨¦rico de una constante natural. Los qu¨ªmicos han escogido el n¨²mero de Avogadro ¡ªque relaciona la cantidad de ¨¢tomos o mol¨¦culas con la masa de una muestra¡ª y los f¨ªsicos, la constante de Planck ¡ªque relaciona la energ¨ªa de un fot¨®n con la frecuencia de su onda¡ª. M¨¢s que competir, los dos m¨¦todos son complementarios, ya que el consenso ha sido llegar a un nivel de precisi¨®n que permita usar cifras fijas de ambas constantes para obtener el mismo valor num¨¦rico del kilo. Adem¨¢s, la constante de Avogadro, que se ha definido midiendo la cantidad de ¨¢tomos que hay en una esfera perfecta de silicio, se emplear¨¢ tambi¨¦n para redefinir el mol.

Fijar las constantes de la naturaleza

Cuando Phillips lleg¨® a NIST, hace unos 40 a?os, su trabajo se centraba en la medici¨®n precisa del amperio, la unidad de corriente el¨¦ctrica, para lo cual se usaba un aparato llamado la balanza de corriente. Esta evolucion¨® en lo que hoy se conoce como la?balanza de Watt, un instrumento que equipara potencia electromagn¨¦tica (que depende de una corriente) con potencia mec¨¢nica (que depende de una fuerza, o peso). Primero se aplica una corriente conocida. Calculado el peso correspondiente en la balanza, se puede obtener la masa exacta ¡ªun kilo¡ª, ya que se conoce la aceleraci¨®n de la gravedad. ¡°Nos dimos cuenta de que este experimento pod¨ªa medir la constante de Planck¡±, recuerda Phillips; desde ah¨ª redefinir el kilo era un paso l¨®gico, ya que la constante de Planck se mide en una combinaci¨®n de unidades que incluye la de masa. ¡°Nosotros no establecemos que haya que utilizar la balanza de Watt o la esfera de silicio para medir el kilo. Solo fijamos el valor de la constante de Planck [y del n¨²mero de Avogadro]¡±, explica Phillips. ¡°En el futuro, podr¨ªan desarrollarse m¨¦todos mejores que te lleven del valor de la constante al valor del kilo. Esto es precioso, en mi opini¨®n; es como se deben hacer las cosas¡±, agrega.

En el futuro, podr¨ªan desarrollarse m¨¦todos mejores que te lleven del valor de la constante al valor del kilo. Esto es precioso

Siguiendo el mismo razonamiento, los metr¨®logos han desarrollado m¨¦todos para fijar la constante de Boltzmann, que dar¨¢ definici¨®n al kelvin, y la constante de carga elemental, que dar¨¢ definici¨®n al amperio. Las dem¨¢s unidades b¨¢sicas ¡ªel segundo, el metro y la candela¡ª ya est¨¢n definidas por constantes f¨ªsicas. En noviembre de este a?o, se reunir¨¢ la Conferencia General de Pesos y Medidas en Versalles para votar sobre los cambios propuestos al Sistema Internacional. Despu¨¦s de todo el trabajo, Phillips confiesa esperar que sea ¡°solo una formalidad¡±.

Bruno Mart¨ªn forma parte del proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).