De la Constante de Planck al Kilogramo

Por: Dr. Olivier Alirol, Investigador de Resonance Science Foundation

El año 2018 es histórico para el mundo de la medición. Marcará la redefinición del Sistema Internacional (SI), y más concretamente de cuatro de sus unidades: el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol. En noviembre de 2018, la 26ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) votará las nuevas definiciones de estas unidades. Estas deberán establecerse a partir de las constantes físicas fundamentales. El LNE, piloto francés de metrología, contribuye activamente al rediseño del SI, en particular mediante las redefiniciones del kilogramo, el amperio y el kelvin.

El Sistema Internacional de Unidades (SI) consiste en un conjunto de unidades básicas reconocidas internacionalmente y controladas por el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM).

Hoy en día, la SI cuenta con 7 unidades que se pueden encontrar en todos los aspectos de nuestra vida cotidiana, por no hablar de la industria:

-Kilogramo (Constante de Planck, velocidad de la luz, tiempo)
-Metro (tiempo y velocidad de la luz)
-Segundo (tiempo)
-Amperio (carga del electrón, tiempo)
-Kelvin (constante de Planck, tiempo)
-Mol
-Candela (Constante de Planck, tiempo)

Son estas unidades, así como las unidades derivadas, las que unifican nuestro sistema de medición a nivel internacional. Un sistema fiable y universal es esencial porque la confianza en las mediciones es hoy en día fundamental para la actividad humana y el comercio.

Estas unidades están a nuestro alrededor. Son comunes, utilizadas por todos a diario sin conocer sus fundamentos, orígenes o definiciones reales, y son esenciales en la ciencia, la industria y la vida cotidiana. La mayoría de ellas se remontan a muchos años atrás, como el kilogramo, que se definió en 1795 y cuyo prototipo en forma de cilindro de platino e iridio se utiliza como patrón desde 1889. Y se conserva bajo tres campanas de cristal en el BIPM, Bureau international des poids et mesures, en Sèvres (Francia).

Para satisfacer las crecientes necesidades de precisión, el objetivo es dar a estas unidades un alcance más universal basándolas en constantes físicas fundamentales, como se redefinió el metro al fijar el valor de la velocidad de la luz en 1983, y deshacerse de los artefactos materiales.

Para medir el kilogramo, los investigadores del LNE utilizaron una balanza de vatios (o Kibble). Su principio es sencillo: una balanza en la que uno de los brazos soporta una masa y el otro está conectado a una bobina colocada en un campo magnético. Mediante una medición en dos pasos, es posible entonces relacionar la masa con la constante de Planck a través de fenómenos cuánticos (efectos Hall y Josephson cuánticos) que implican tensión y corriente.

En 2016, varios laboratorios implicados en la redefinición del kilogramo compararon su patrón de masa con el que se mantiene en el BIPM, un requisito previo esencial para la medición precisa de la constante de Planck, con un cuidado sin precedentes. En el LNE, se llevó a cabo entonces una campaña de medición ininterrumpida de unos 30 días entre febrero y marzo de 2017, suficiente para producir un valor h con una incertidumbre relativa de 5,7 10^-8. Junto con los equipos canadiense y estadounidense, el LNE fue uno de los tres laboratorios que proporcionó un valor h utilizando una balanza Kibble con una incertidumbre conforme a los requisitos del BIPM para la redefinición del kilogramo.

Esta nueva definición del kilogramo estará disponible universalmente con una posible realización a cualquier escala, en cualquier momento, en cualquier lugar y será invariable en el tiempo sin relación con ningún artefacto. - El Comité Consultivo de la Masa y Magnitudes Conexas (CCM)

Una vez adoptada la nueva definición del kilogramo, la balanza de vatios LNE permitirá calibrar cualquier masa sin utilizar un artefacto material, utilizando la medida inversa a la utilizada para medir h. La "gran K" será entonces sólo una curiosidad histórica, y el kilogramo se basará en un estándar verdaderamente universal.

Unificar la física implica reducir nuestros modelos a un mínimo de variables y parámetros suficientes para describir el Universo tal como lo percibimos. La definición de nuestras unidades estándar es un pequeño paso en esta dirección.

Más información en:

• Phys.org: Four base units of measure in the metric system about to be changed
• Youtube.com: World’s Roundest Object!
• Bipm.org: Reports and SI definitions