Una nueva revolución: las unidades de medida ya no son como aprendiste en la escuela

Desde tiempos antiguos, la necesidad de medir y cuantificar ha estado presente en muchas actividades del ser humano. De allí vienen algunas unidades como el pie, la pulgada, la yarda, etc. las cuales se establecían utilizando las dimensiones del cuerpo del monarca local. Con el tiempo cada pueblo o ciudad tenían patrones de medida diferentes, incluso con nombres idénticos. Esto repercutía directamente en asuntos científicos, comerciales y de intercambio de bienes.

Fue en los tiempos de la Revolución Francesa que los primeros patrones de medida fueron definidos para ser utilizados de manera estándar por todos. El primer kilogramo patrón viene de 1799 y era igual a la masa de un litro de agua a una temperatura de 4 grados Celcius. Después, en 1889, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas establece el Prototipo Internacional del Kilogramo, equivalente a la masa contenida en un cilindro de una aleación de platino e iridio.

El problema con tener un objeto patrón es que por más aislado que esté del ambiente, siempre hay riesgo de contaminación y modificación. Es sabido que la masa del kilogramo patrón ha aumentado unos cuantos micro gramos en un intervalo de unos 200 años. Esto pudo ser porque le han caído partículas de polvo o porque algunos átomos han reaccionado con el aire. Es totalmente inaceptable que la unidad patrón cambie. El patrón tiene que ser constante. ¿Por qué? Porque si el patrón de masa aumenta, por definición todos los objetos pesan menos.

El metro patrón también tenía el mismo inconveniente. Hasta 1960, éste se definía como la distancia entre dos marcas en una barra de platino e iridio. Pero de nuevo ¿dónde empieza o termina una marca? ¿medimos desde la mitad de la marca? ¿cómo ubicamos la mitad de la marca? Esto es fuente de incerteza en la definición del metro patrón.

Timbre francés alusivo al Sistema Métrico.

Entonces surge la pregunta decisiva ¿cómo podemos definir unidades que no dependan de un objeto y que su magnitud permanezca sin cambio alguno en el tiempo? Allí es donde entra lo más constante, inmutable, invariable e imperturbable que conocemos hasta la fecha: las constantes físicas que definen la naturaleza del universo.

En el Sistema Internacional de Unidades cada unidad está asociada a una constante que la define. No todas son constantes fundamentales, algunas son más bien parámetros que se expresan en términos de verdaderas constantes. El punto es que son números invariables que reflejan una característica de la naturaleza. Por ejemplo, la forma de definir la unidad de tiempo --el segundo-- es por medio de una onda de radiación electromagnética producida por un átomo de cesio. La onda se define por su frecuencia, que es 9,192,631,770 Hertz. Esto significa que un segundo es la cantidad de tiempo que transcurre cuando han pasado 9,192,631,770 oscilaciones de una onda electromagnética de cesio. Esta es la definición moderna del segundo y la constante asociada es la frecuencia de dicha onda electromagnética.

La constante que fija el metro es la velocidad de la luz. Una vez que definimos el segundo podemos usar la fórmula de distancia = velocidad * tiempo. Como ya tenemos el segundo patrón, conociendo la velocidad de la luz establecemos el metro patrón. Así, un metro pasa a ser la distancia que recorre la luz en una fracción de 1/299,792,458 segundos. Esa es la definición moderna del metro.

De las siete unidades básicas del Sistema Internacional, que son: el segundo (tiempo), el metro (longitud), el kilogramo (masa), el kelvin (temperatura), el amperio (corriente eléctrica), el mol (sustancia) y la candela (intensidad luminosa); el kilogramo fue la última en definirse por una constante física.

La constante que define el kilogramo es la constante de Planck (abreviada con la letra “h”). Este número aparece en mecánica cuántica cuando se establece que la energía de una partícula de luz –el fotón-- es igual a esta constante multiplicada por su frecuencia, es decir, E=h*f. Cuando tomamos esta igualdad, junto con la fórmula más famosa del mundo, E=mc², resulta que la masa de un fotón es la constante de Planck por su frecuencia dividido entre la velocidad de la luz al cuadrado, es decir m=h*f/c².

Réplica del kilogramo patrón.

Esta sencilla fórmula establece la masa de un fotón. A partir de aquí, sabiendo la frecuencia que define el segundo, la velocidad de la luz y la constante de Planck, un kilogramo es la masa que poseen

14,755,214,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 fotones de un átomo de cesio.

No es fácil construir una balanza que mida con esta nueva escala, pero como concepto es mucho más práctico que tener un cilindro de metal como patrón.

La unidades ya no se definen por objetos materiales, sino por un conjunto de números que fijan las interacciones fundamentales del universo. Haber separado las unidades de los objetos patrones es una verdadera revolución.

De esta forma, el 20 de mayo de 2019 entró en vigencia la nueva definición del kilogramo, logrando el ideal que se había fijado desde la Revolución Francesa, bellamente expresado en el lema del Sistema Internacional: “À tous les temps, à tous les peuples”, es decir, unidades para todos los tiempos y para todos los pueblos.