23 abr. 2011

Redefiniendo el kilogramo


Seguro que lo recuerdan de la escuela. El kilogramo es la unidad patrón básica en el Sistema Internacional de Unidades (SI) de la magnitud fundamental que llamamos masa.

Incluso les sonará que se define como: "la masa que tiene el cilindro de platino Pt(s) e iridio Ir(s) aleados, creado en 1889 (el mismo año en que se inauguró la Torre Eiffel), protegido en el interior de una campana de cristal triple y que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) en Sèvres, cerca de París".

Es conocido como Le Grand K (El gran kilogramo).

Como saben, es este prototipo internacional el referente a la hora de saber la masa de cualquier otro objeto del mundo. Desde los más másicos, un transatlántico por ejemplo. Hasta los menos másicos, como el saber los microgramos (10-6 g = µg) de plata Ag(s) que debe tener un determinado componente electrónico.

Por supuesto que muchos países del mundo (entre ellos España) guardan una copia de él. Pero el de Sèvres es el único original. Lo que puede ser un problema. Y no el único.

Algunos inconvenientes inherentes al modelo

El primero ya está planteado. Si por la razón que fuera se destruyera este prototipo, recuerden el único original, desaparecería con él el estándar internacional de masa.

Un grave asunto científico-tecnológico, más delicado de lo pueda parecer o pensarse.

Sin embargo, aunque esto es algo posible, la verdad, es poco probable.

El segundo de estos problemas es la dependencia que otras unidades fundamentales tienen con el kilogramo.

Los experimentos y mediciones que tienen que trabajar con el amperio, el mol o la candela, se suelen ver afectadas por la indeterminación que acompaña a esta definición de “un kilogramo es igual a la masa del prototipo internacional…”.

Por el contrario, estotro, es algo posible pero, casi inevitable.

El tercer inconveniente es más preocupante que los anteriores si cabe. Desde que se creó, en sus ahora 120 años de existencia, este cilindro ha perdido unos 50 microgramos (50 µg) de masa.

Un tema delicado esta variación de masa, ya que no olvidemos es el referente (único) mundial para todas las determinaciones de masa.

Por desgracia, esotro, es posible e inevitable. Pero no queda aquí la cosa.

Y otros más

De la alta sensibilidad y precisión de este sistema, nos da una buena idea la ocurrencia que alguien tuvo, en cierta ocasión. “Si alguien estornudara sobre el kilogramo prototipo, y no nos diéramos cuenta, a partir de ese momento todas las medidas del mundo estarían incorrectas. Lo que sería una catástrofe”.

Por este lado tranquilo, es posible pero improbable.

El último de los inconvenientes que les traigo hoy es de naturaleza más intrínseca. Casi una singularidad.

El kilogramo es la única de las siete (7) unidades fundamentales internacionales, que sigue asociada a un objeto físico, en este caso un cilindro, y no a una medida universal.

La única vinculada a un objeto material vulnerable a la distorsión, y no a una constante universal basada en la propia naturaleza.

En la actualidad, y a diferencia del kilogramo, las otras seis unidades fundamentales, a saber: metro (m), segundo (s), amperio (A), kelvin (K), mol (mol) y candela (cd), están definidas por medidas universales.

Por ejemplo el metro es la longitud que recorre la luz en el vacio en tres coma tres nanosegundos (3,3 ns). Es decir 3,3·10-9 s = 0,000 000 003 3 s. Como sabemos la velocidad de la luz en el vacio (c) es un fenómeno físico absoluto.

Como pueden ver, el estado de la situación exige la toma de algunas decisiones en busca de soluciones. O lo que es lo mismo, redefiniendo el kilogramo.
 
Para superar estos problemas la comunidad científica ha propuesto varias posibles vías, con diferentes grados de aceptación.

Una de ellas tiene doble naturaleza: mecánica y química. Está basada en el análisis realizado a unas esferas casi perfectas de cristal de silicio Si (s).

Y por los resultados obtenidos se piensa que sería posible contar el número de átomos que contendría un kilogramo de esta sustancia química.

Una operación que nos proporcionaría nuevo estándar para el kilogramo, y que realizaría el físico alemán Arnold Nicolaus. Lo que sería una buena alternativa también absoluta al estar fundamentada en el número de Avogadro (NA).

Pero otros científicos no piensan igual. Ven la solución en un método también de doble naturaleza, sólo que en este caso gravitatoria y electromagnética. La han llamado la balanza de Watt. En este caso el carácter absoluto del proceso lo aporta la constante de Planck (h).

Empíricamente, la balanza determinaría la energía necesaria para generar una fuerza electromagnética, capaz de equilibrar la atracción gravitatoria de un objeto de un kilogramo de masa.

Otro nuevo estándar para el kilogramo, al frente de cuya determinación estaría el físico estadounidense Richard Steiner.

Un método de muy alta sensibilidad, que podría detectar variaciones del orden de una diez millonésima de kilogramo, o sea 0,000 000 1 kg = 10-7 kg.

Ya veremos en qué quedan estas soluciones. Por ahora el viejo kilogramo resiste.

El viejo kilogramo que se nos va Sea cual sea la solución que se adopte, una comisión internacional nombrada al efecto tomará la decisión de la nueva, y esperemos definitiva, redefinición de kilogramo antes de 2011.

Es lo que le queda de vida activa a 'Le grand K', como unidad patrón de la magnitud masa. A partir de entonces dejará de serlo. Y ya podrá perder toda la masa que quiera. Se lo tendrá merecido. Pero, eso sí, el kilogramo dejará de pesar lo que pesaba. Ya no será útil.

Un hecho que, por supuesto, no deberá preocuparnos al común de los mortales, a la hora de ir a hacer la compra, pero que sí resultará significativo, inevitablemente, para los trabajos científicos técnicos.

A partir de este momento, es probable que el cilindro se convierta en un mito. Que acabe su historia y comience la leyenda.

Otras singularidades


La de ser la última unidad del SI, que todavía se define por un objeto patrón, y no por una característica física fundamental, no es la única singularidad de esta unidad. Les dejo con algunas.

También es excepcional en su nombre, kilogramo. Se trata de la única unidad que emplea un prefijo (kilo) en su denominación. Ninguna de las demás lo hacen (metro, amperio, segundo, mol, etcétera).


Y de su símbolo (kg) recordarles, lo que casi seguro saben.

Se escribe con minúscula (kg), al no proceder de nombre propio como el newton (N) que procede de Isaac Newton; es decir, no existió el señor Kilogramo.

No acaba en punto, ni en s de plural. Es decir que no es una abreviatura. Un símbolo científico no es una abreviatura ortográfica.

No lo debemos confundir con la K mayúscula del símbolo de la temperatura absoluta que se mide en kelvin. Es decir, que sí existió Lord Kelvin.

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