Etiquetas

, ,

Artículo publicado por Elizabeth Gibney el 14 de octubre de 2015 en Nature News

Tras unos años de tensión, los experimentos para redefinir la unidad han llegado a un acuerdo.

Durante décadas, los metrólogos se han esforzado por retirar ‘Le Grand K’ — el cilindro de platino e iridio que durante 126 años ha definido el kilogramo, el cual se encuentra en una cámara de alta seguridad en las afueras de París. Ahora, parece que por fin tienen los datos necesarios para reemplazar el cilindro por una definición basada en constantes matemáticas.

Réplica de la masa de referencia del kilogramo

Réplica de la masa de referencia del kilogramo Crédito: Andrew Brookes, National Physical Laboratory/SPL

El avance llega a tiempo para que el kilogramo se incluya en una redefinición más amplia de unidades — que incluye al ampere, mol y kelvin — prevista para 2018. Y hace unas semanas, el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) se reunió en París para analizar los siguientes pasos.

“Es una época apasionante”, señala David Newell, físico en el Instituto Nacional de Estados Unidos de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Maryland. “Es la culminación de un intenso y prolongado esfuerzo a nivel mundial”.

El kilogramo es la única unidad del Sistema Internacional basada en un objeto físico. Aunque los experimentos que podrían definirlo en términos de constantes fundamentales se describieron en la década de 1970, sólo en el ultimo año equipos que usaron dos métodos completamente distintos han logrado resultados que son lo bastante precisos, y con el suficiente consenso, para derrocar la definición física.

La redefinición no hará que el kilogramo sea más preciso, pero lo hará más estable. Un objeto físico puede perder o ganar átomos a lo largo del tiempo, o ser destruido, pero las constantes permanecen inalterables. Y una definición basada en constantes permitiría, al menos en teoría, que la medida exacta del kilogramo estuviese disponible para todo el mundo, en lugar de sólo a aquellos que pueden tener un acceso a la caja fuerte de Francia, señala Richard Davis, antiguo director de la división de masa de la Agencia Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) en Sèvres, Francia, que aloja el kilogramo de metal.

En 2011, el CIPM acordó formalmente expresar el kilogramo en términos de la constante de Planck, que relaciona la energía de una partícula con su frecuencia y, a través de E = mc2, con su masa. Esto implica primero fijar el valor de la constante de Planck usando experimentos basados en el kilogramo de referencia actual, y luego usar dicho valor para definir el kilogramo. El comité del CIPM sobre la masa recomendó que concordasen tres medidas independientes de la constante de Planck, y que dos de ellas usaran métodos distintos.

Un método, desarrollado por un equipo internacional conocido como Proyecto Avogadro, implica contar los átomos de dos esferas de silicio-28, cada una con un peso igual al kilogramo de referencia. Esto les permite calcular un valor para la constante de Avogadro, que, a su vez, los investigadores convierten en un valor para la constante de Planck. Otro método usa un dispositivo conocido como balanza de Watt para generar un valor para la constante de Planck pesando una masa de prueba, calibrada de acuerdo con el kilogramo de referencia, contra una fuerza electromagnética.

Alcanzar un acuerdo demostró ser complejo. A principios de 2011, algunos investigadores contemplaron simplemente realizar el promedio de medida de dos dispositivos distintos. “Creo que todos los metrólogos estábamos preocupados, ‘¿Qué pasa si nunca convergían?’”, señala Davis.

Tal artimaña no fue necesaria, gracias a tres años de intenso trabajo, explica Joachim Ullrich, presidente del Instituto Nacional Alemán de Metrología (PTB) en Braunschweig, que coordina el Proyecto Avogadro, y director del Comité Consultor de Unidades del CIPM. La primera señal de progreso llegó después de que el laboratorio de Estándares y Medidas Científicas de Ottawa, parte del Consejo de Investigación Nacional de Canadá (NRC), comprase y reconstruyese una balanza de Watt originalmente construida en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido en Teddington.

En un nuevo laboratorio, un equipo remozado del NRC trabajó en algunos errores sistemáticos predichos pero aún no observados, y el resultado, publicado1 en enero de 2012, dejó al Proyecto Avogadro más cerca del resultado de la esfera de silicio.

Esto aún dejaba al resultado del NIST como un valor atípìco, señala Newell, director del grupo de constantes fundamentales del comité internacional CODATA, el cual proporciona el mejor valor para constantes como la de Planck cada cuatro años, teniendo en cuenta los resultados realizados por todos los experimentos realizados hasta la fecha. “Reunimos a un equipo de investigación totalmente nuevo, revisamos cada componente, cada sistema”, explica. Nunca encontraron la causa de la discordancia, pero a finales de 2014 el equipo del NIST logró2 cuadrar sus datos con los otros dos3,4, quienes, mientras tanto, habían reducido la incertidumbre relativa a los niveles requeridos.

En agosto de 2015, cuando CODATA publicó su último valor para la constante de Planck, la incertidumbre era de 12 partes por mil millones, un cuarto de su valor en el anterior informe de CODATA — y dentro de los requisitos del CIPM.

El CIPM debatió su próximo movimiento durante la reunión en el BIPM el 15 y 16 de octubre. Esto incluye una discusión sobre el borrador de la resolución que redefina el ampere, el mol, el kelvin y el kilogramo en el Conferencia General de Pesos y Medidas de 2018. El BIPM aún está trabajando en un protocolo que permita a los equipos sin acceso a la balanza de Watt o a la esfera de silicio usar una nueva definición de kilogramo.

Aún queda margen para algún disgusto. Los equipos tienen hasta el 1 de julio de 2017 para publicar más datos antes de que quede fijado el valor de la constante de Planck. Antes de esta fecha límite, el equipo de Ullrich planea usar un nuevo lote de esferas procedentes de Rusia en experimentos que, espera, lleven a unos valores con menor incertidumbre para la constante de Planck, pero podría provocar que los resultados divergieran de nuevo. “Entonces tendríamos problemas”, comenta. “Pero tengo mucha confianza en que no sucederá esto”. Newell está de acuerdo: “Este tren marcha a toda velocidad, y tiene que haber algo realmente equivocado para hacer que descarrile”.

Si demuestran ser correctas, en 2018, Le Grand K se unirá al metro como una pieza de museo. “Las guardaremos”, señala Davis, “pero nunca más como elemento de definición”.

Artículos de referencia

Nature 526, 305–306 (15 October 2015) doi:10.1038/526305a

1.- Steele, A. G. et al. Metrologia 49, L8–L10 (2012).
2.- Schlamminger, S. et al. Metrologia 52, L5–L8 (2015).
3.- Sanchez, C. A. et al. Metrologia 52, L23 (2015).
4.- Mana, G. et al. J. Phys. Chem. Ref. Data 44, 031209 (2015).

Anuncios