PESAS Y MEDIDAS

El futuro del kilo: una materia pesada.

Robin McKie

El prototipo internacional del kilogramo en su vivienda en el Pavillon de Breteuil en Saint-Cloud, cerca de París. 

Fotografía: AFP / Getty Images

Un trozo de metal en un edificio cerca de París ha servido durante mucho tiempo como el estándar global para el kilogramo. Eso está a punto de cambiar ...

En una bóveda dentro del elegante Louis XIV Pavillon de Breteuil, en las afueras de París, un pequeño cilindro de metal descansa en un estante debajo de un doble juego de campanas. Ha permanecido allí durante más de un siglo, su reposo solo se ve perturbado ocasionalmente cuando los tres portadores de la bóveda realizan una ceremonia de apertura coordinada para permitir que los técnicos entren y limpien el lingote.

Primero, el cilindro de platino-iridio se frota con una gamuza empapada en alcohol y éter. Luego se enjuaga con vapor de agua hirviendo, doble destilado. Finalmente, el cilindro de 1kg es devuelto, con cuidado, a su lugar de reposo.

Tal reverencia por un trozo de metal es inusual, pero tiene un propósito. El pabellón alberga la Oficina Internacional de Pesos y Medidas y esa pieza de aleación de platino-iridio es su reliquia más sagrada. Es la masa definitoria contra la cual se miden todos los otros kilogramos. Este es el prototipo internacional del kilogramo. El IPK, en definitiva.

Se han realizado decenas de copias de esta pieza de metal cuidadosamente calibrada. Se almacenan en todo el mundo y se utilizan para estandarizar los sistemas de pesos y medidas de las naciones individuales. La copia de Gran Bretaña se conserva en el National Physical Laboratory (NPL) en Teddington, cerca de Londres. Pero la versión parisina es el rey de los kilogramos. "Todas las mediciones de masa, en cualquier parte del planeta, son trazables a esa unidad en el Pavillon de Breteuil", dice el científico de la NPL Tim Prior.

Pero los días de le grand K , como se sabe, están contados. A finales de este mes, en la Conferencia General Internacional sobre Pesas y Medidas, que se celebrará en Francia , se espera que los delegados voten para deshacerse de este único espécimen físico y, en su lugar, sean pesados ​​al usar una medida fundamental, que se definirá en términos de electricidad. actual - para definir la masa de un objeto. El rey de los kilogramos está a punto de ser destronado.

Y, de manera crucial, gran parte del trabajo clave que ha llevado a la caída del kilogramo de París se ha llevado a cabo en el Laboratorio Nacional de Física, donde el fallecido Bryan Kibble inventó los conceptos básicos del dispositivo que reemplazará ese lingote en el Pavillon de Breteuil. El balance de Kibble funciona midiendo la corriente eléctrica que se requiere para producir una fuerza electromagnética igual a la fuerza gravitacional que actúa sobre una masa. Una segunda etapa permite determinar la fuerza electromagnética en términos de una constante fundamental conocida como la constante de Planck que, en el futuro, se usará para definir un kilogramo. Estas máquinas proporcionarán el estándar para pesar objetos, y eso significa que ya no tendrá que desempolvar los viejos trozos de aleación para garantizar que sean puros y precisos.

Desarrollar el equilibrio de Kibble fue un negocio muy complejo, sin embargo, los balances, cuando se pongan en uso, tendrán que alcanzar niveles de precisión muy exigentes. Un ex colega de Kibble es Ian Robinson, un miembro de NPL en el departamento de ingeniería, materiales y ciencias eléctricas del laboratorio. Dirige un equipo internacional de investigadores para crear versiones simples y precisas del balance de Kibble para satisfacer esa necesidad.

"Una razón clave para hacer este trabajo es brindar seguridad internacional", dice Robinson. “Si el Pavillon de Breteuil se quemara mañana y el kilogramo de sus bóvedas se derritiera, no tendríamos ninguna referencia para el sistema de pesos métricos del mundo. Habría caos. La definición actual del kilogramo es el peso de ese cilindro en París, después de todo ".

Esa vulnerabilidad pronto será cosa del pasado. "Vamos a cambiar todo eso", dice Robinson. “Vamos a crear un método para pesar el kilogramo con toda precisión hasta el final de los tiempos. Nos habremos liberado de un solo punto de fracaso ".

Otra motivación importante para la sustitución de le grand K es la necesidad de poder realizar mediciones cada vez más precisas. "Las compañías farmacéuticas pronto querrán usar ingredientes que tendrán que medirse en términos de algunas millonésimas o incluso una mil millonésima parte de un gramo", dice Prior. "Necesitamos estar preparados para pesar sustancias con ese tipo de precisión".

Al reemplazar el kilogramo de París por unidades medidas en términos de la constante de Planck, los científicos han tenido que llevar la tecnología a sus límites, aunque en un sentido simplemente están alcanzando todos los otros métodos que ahora se utilizan para definir las otras unidades básicas con las que medimos Nuestra existencia, como el tiempo y la duración. Estos están determinados hoy en términos de procesos fundamentales.

Consideremos la unidad básica de longitud, el metro. Originalmente se consideraba que era una diez millonésima parte de la distancia desde el ecuador hasta el polo norte, antes de ser reemplazada por una barra de platino en París. Hoy en día, se designa como la longitud que recorre la luz en un vacío en 1 / 299,792,458 de un segundo.

Del mismo modo, la unidad básica de tiempo es la segunda. Una vez se estipuló que era 1 / 86,400 de un día promedio. Sin embargo, la rotación de la Tierra es variable, lo que dificulta la medición del tiempo de esta manera. Como resultado, el segundo ahora se establece como el tiempo que tarda un átomo de cesio en vibrar 9,192,631,770 veces, ni más ni menos.

De hecho, con una excepción, todas las unidades que utilizamos para medir el mundo que nos rodea, y que conforman el Sistema Internacional de Unidades, están hoy especificadas en términos de conceptos universales fundamentales. Estos incluyen el kelvin, la unidad básica de temperatura, así como las constantes que definen la corriente eléctrica y la intensidad luminosa.

Es solo el kilo que ha sido definido por un objeto manufacturado, ese trozo de aleación en París. Su existencia se remonta a la decisión de Luis XVI de apoyar un nuevo sistema de pesos y medidas, uno que sería independiente de caprichos, como la longitud del brazo de un monarca. Este sistema métrico se presentó en 1791, definiéndose el kilo en términos de la masa de un volumen dado de agua a 0 ° C.

Durante los siguientes 100 años, el kilogramo se redefinió una y otra vez, mientras un número cada vez mayor de naciones se unió a Francia para adoptar el sistema métrico, estimulado por el crecimiento del comercio internacional y la necesidad de estandarizar los pesos de los productos manufacturados. Finalmente, la convención internacional de medidores fue firmada en 1875 por 17 naciones. (Cabe señalar que Gran Bretaña no firmó hasta varios años después, revelando otra constante).

Los artículos como el prototipo de metro y el kilogramo se guardaron en París y luego se copiaron y enviaron a otras naciones. Y, en general, fue un proceso bastante preciso, dice Prior. "Todos los otros kilogramos de lingotes que se utilizan en todo el planeta fueron copiados del IPK en París y tienen un peso muy similar a ese estándar. Todos pesan dentro de un miligramo del lingote principal que se guarda en el Pavillon de Breteuil. Sin embargo, necesitamos un nivel más alto de precisión en estos días y eso lo proporcionarán los saldos de Kibble que reemplazarán al lingote de París ".

Medida por medida

Además del kilogramo, el Système international d'unités (SI) tiene otras unidades de medida base, todas derivadas ahora de procesos físicos. Éstos incluyen:

Tiempo 
La unidad base de tiempo es el segundo, que una vez se definió como 1⁄86,400 de un día promedio. Sin embargo, los caprichos en la rotación de la Tierra dificultaron la medición precisa. Ahora se define como el tiempo que tarda un átomo de cesio en vibrar 9,192,631,770 veces.

Longitud 
El metro se definió por primera vez como una diez millonésima parte de la distancia desde el ecuador hasta el polo norte. Luego fue reemplazado por una barra de platino usada en París. Ahora se define como la longitud recorrida por la luz en el vacío en 1 / 299,792,458 de un segundo.

Temperatura

La unidad básica de temperatura es el kelvin, que se define como 1 / 273.16º de la temperatura del agua a 0.01C.

Corriente eléctrica

El amperio se define en términos de la corriente requerida para generar una cierta fuerza entre dos cables separados por un metro.

Otras dos unidades están incluidas en la lista: la cantidad de una sustancia en una muestra dada se mide en moles y la intensidad luminosa se mide en candelas.