Esta es la razón por la que los físicos han redefinido por completo el kilogramo.

Durante casi 130 años, la definición de kilogramo se ha vinculado a una pieza de metal dentro de una bóveda parisina, que varía en masa de una década a otra. Ahora todo eso está a punto de cambiar

Muy por debajo del suburbio parisino de Saint-Cloud, en una caja fuerte que solo pueden abrir tres personas con tres llaves diferentes, hay una pieza de metal que es tan crucial para el mundo de las mediciones que solo deja un control estricto. limpiado y pesado.

Durante los últimos 129 años, este pequeño cilindro de platino-iridio ha definido el peso del kilogramo. El prototipo de kilogramo internacional o IPK no pesa solo un kilogramo. Es un kilogramo. Si su peso aumenta o disminuye, y en el último siglo hizo ambas cosas, entonces la definición de kilogramo aumenta o disminuye.

Esa es la importancia del IPK, incluso existe un manual de dieciséis páginas dedicado a la tarea de limpieza de la masa. Primero, se limpia con una piel de cabra que se ha empapado durante 48 horas en una mezcla de etanol y éter para eliminar las impurezas. Luego se rocía con vapor de agua destilada. Luego, el agua restante se limpia con papel de filtro o se sopla con gas limpio antes de volcar el IPK y el proceso comienza de nuevo.

En total, se necesitan 50 minutos para limpiar el IPK, que mide solo 39 milímetros tanto en altura como en diámetro. “Es el estándar de masa del mundo y no te llevas bien con él, es realmente muy importante”, dice Ian Robinson, investigador del Laboratorio Nacional de Física que ha estado trabajando para redefinir el kilogramo durante casi cuatro décadas.

Pero ahora IPK se acerca al final. Hoy, los delegados de la Conferencia General de Pesas y Medidas, una conferencia internacional que se reúne cada seis años para decidir sobre las reformas del sistema métrico, votaron para dejar de usar IPK como una definición del kilogramo. La decisión entrará en vigor el 20 de mayo de 2019, cuando la resistencia del metal parisino dejará de jugar un papel tan importante a la hora de establecer estándares para el sistema métrico.

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Entonces, ¿qué pasa con IPK? El problema, explica Brown, es que vincular una definición a un objeto físico no es tan útil como usar constantes físicas. “En última instancia, la trazabilidad del kilogramo se realiza mediante este artefacto de material único que se encuentra en esta instalación internacional”, dice, pero la masa de IPK en realidad fluctúa en millones de kilogramos a medida que acumula suciedad o pierde masa cuando se limpia. El propósito de la conferencia era cambiar la definición a algo que nunca se pueda cambiar.

Para la mayoría de las personas, esta definición precisa del kilogramo no cambiará la forma en que medimos la harina o nos pesamos nosotros mismos, pero para organizaciones como NPL, que promueve mediciones precisas en todos los sectores, ser precisos sobre el kilogramo es un gran problema.

Todos los países que son parte de la Convención del Metro, el tratado de 1875 que estableció la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (conocida por sus iniciales en francés, BIPM), tienen sus propias copias del IPK. Cada 40 años, estas copias prototipo se transportan, generalmente a mano, a París, donde se pesan para ver cómo se comparan con IPK. El último pesaje tuvo lugar en 2014 para sentar las bases de la futura redefinición, pero hasta ahora solo ha habido tres calibraciones anteriores.

La copia del Reino Unido se llama Kilogramo 18 y descansa en una caja fuerte en la sede de NPL en Teddington, al sur de Londres. “Tiene una vida bastante buena”, dice Robinson, quien, a pesar de trabajar para redefinir el kilogramo, rara vez trabaja con los 18 kilogramos en sí. Al igual que el IPK, el kilogramo 18, llamado así porque fue la copia número 18 que se asignó por votación y se distribuyó, se guarda debajo de dos frascos con campanas llenas de aire filtrado.

Estas copias son utilizadas por laboratorios de medición nacionales, como el NPL, para establecer estándares de medición y calibrar adecuadamente instrumentos delicados. Pero el problema es que ninguna copia tiene exactamente la misma masa que IPK. El kilogramo 18 es aproximadamente 60 microgramos más pesado que el IPK: sobrepeso con una cantidad equivalente a unos pocos granos pequeños de arena. Y esto antes de tener en cuenta las fluctuaciones de la propia masa de IPK, porque absorbe los contaminantes del aire o pierde algo de su aleación durante la limpieza.

“Miras la estabilidad de la masa y en ningún caso puedes obtener una masa que sea exactamente de un kilogramo, todas se desvían fácilmente”, dice Robinson. “Entonces lo que te molesta es que lo tuyo es tuyo [mass] es la misma diferencia que IPK o puede predecir esta diferencia. “

Este es un problema al establecer estándares para industrias como la farmacéutica, que manejan regularmente mediciones de hasta microgramos. Todas las medidas métricas de masa se derivan de kilogramos y es extremadamente difícil hacer una toma exacta cuando los postes se mueven cada cuarenta años aproximadamente. Y es por eso que Robinson y sus colegas han estado trabajando en un dispositivo que permitirá a los científicos dejar atrás IPK para siempre.

Hace casi 40 años, Robinson comenzó a trabajar con su difunto colega Bryan Kibble en un instrumento llamado Kibble Balance, un complejo desorden de andamios y cables que podría ser una nave espacial desde la distancia en lugar de un instrumento que lo redefine como uno de los más importantes. unidades de medida.

Originalmente llamado balance de vatios, pero renombrado como balance Kibble después de la muerte de Bryan Kibble en 2016, el dispositivo fue diseñado para resolver un problema bastante misterioso sobre cómo se calcula el amplificador, una unidad que mide el flujo de electricidad. En 1988, Robinson y Kibble publicaron un artículo que mostraba que era posible utilizar la balanza Kibble para fijar la definición del amperio sin tener que utilizar un instrumento complejo compuesto por dos longitudes paralelas de alambre.

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Pronto, rompiendo el amplificador, Robinson y Kibble se dieron cuenta de que podían usar el mismo dispositivo para dejar a IPK en el polvo. Podría permitirles redefinir el kilogramo en sí.

Así es como funciona. Primero debe saber que cuando pasa una corriente a través de una bobina de alambre, genera un campo magnético. Así es exactamente como funcionan los altavoces: utilizan señales eléctricas para encender y apagar un electroimán, lo que hace que el cono de un altavoz vibre. Lo que Kibble y Robinson se dieron cuenta es que se puede equilibrar esta fuerza magnética con una masa física, algo así como colocar una masa en el cono del altavoz y medir cuánta corriente eléctrica tiene que pasar a través del electromagnético para que se mueva.

Al implementar inteligentemente varias leyes de la física, incluida una que le valió al creador el Premio Nobel de Física de 1985, la pareja aprendió que es posible expresar la masa en términos de fuerzas electromagnéticas. Armados con esta información, la pareja determinó que podían usar el balance de Kibble para calcular la constante de Planck, un número importante en física cuántica que se refiere a la cantidad de energía transportada en una sola partícula de luz.

Dado que Kibble y Robinson sabían que podían calcular la constante de Planck a partir de una masa, también sabían que podían trabajar hacia atrás y derivar una masa a partir de la constante de Planck. Y, a diferencia de IPK, la constante de Planck no fluctúa con el tiempo.

“A continuación, puede utilizar cualquier ecuación que desee en física para pasar de Constanta Planck a la mesa”, dice Robinson. “Si tienes el valor de la constante de Planck, puedes obtener un miligramo, un kilogramo, una masa atómica lo que quieras”.

Pero el kilogramo no es la primera de las siete unidades métricas básicas que pasa de una medida física a una constante matemática. Un metro se definió como la décima parte de una millonésima parte de la distancia entre el Polo Norte y el Ecuador. En 1983, BIPM votó para obtener a cambio la distancia recorrida por la luz a través del vacío en una fracción de segundo.

El kelvin también recibe una actualización. Actualmente definida como una fracción de la temperatura a la que el agua puede existir como líquido, sólido y gas, pronto se definirá en términos de la constante de Boltzmann, un número que se refiere a la energía de las partículas de gas. Unirá el kilogramo junto con el amperio y el mol como las últimas unidades métricas que se definirán en términos de constantes fundamentales.

Si todo va bien, dice Brown, nadie fuera del mundo científico notará una diferencia cuando se produzca el cambio de peso el próximo año. “Es muy importante que cuando hacemos el cambio, nada cambia”, dice. “Tenemos que estar absolutamente seguros de que lo reemplazaremos por algo que sea mejor y que sea del mismo tamaño”.

Es por eso que Kilogram 18 regresa a París para una última sesión de pesaje para compararlo con IPK en preparación para el cambio a la constante de Planck. Después de eso, los estándares se derivarán de saldos de Kibble en lugar de prototipos de kilogramos. Esto estimulará una industria completamente nueva de personas que trabajan para refinar el equilibrio de Kibble, espera Brown.

Para Robinson, que ha pasado casi cuatro décadas trabajando en el dispositivo que reemplazará a ese IPK, la votación de hoy fue la conclusión de un proceso extremadamente largo y complicado. Después de todo, cuando se redefine una de las unidades de medida más fundamentales del mundo, las personas tienden a moverse muy lentamente.

“Establecimos el peso en 1988-90, pero es un trabajo extraordinariamente difícil”, dice Robinson. Pero ahora, mientras se embarca en su nueva tarea, ayudar a los cuerpos de medición del mundo a lidiar con el equilibrio de Kibble, lo hará sabiendo que detrás de escena de cada medición de peso métrico, su elegante solución al problema del peso se pone en marcha.

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