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El kilogramo patrón tiene algunos problemas de peso
AIP

Un trabajo de casi 25 años ha sido necesario para redefinir el kilogramo y cambiar su orientación desde un modelo físico (la masa de un patrón material) hacia una constante universal.

Un reciente informe presentado en la Royal Society plantea esta redefinición en base a dos constantes universales bien conocidas: el número de Avogadro, que mide la cantidad de átomos de carbono-12 contenidos en 0,012 kg de este elemento, y la constante de Planck, usada para expresar el tamaño de los quanta, paquetes de energía electromagnética.

La revolución del metro

El sistema métrico decimal es uno de los legados más importantes de la revolución francesa; todo un símbolo del principio de igualdad. La situación previa era de una confusión absoluta, especialmente injusta con las clases populares, desprotegidas frente al capricho de quienes podían imponer los patrones de medida. Por ejemplo, había dos varas de medir, una para el fabricante y otra para el público; en la diferencia estaba la ganancia del comerciante. Sin razón aparente una misma unidad de medida significaba algo distinto en diferentes lugares, o se utilizaba para medir magnitudes muy diferentes. Todavía hoy, en Castilla, se sigue utilizando la fanega como medida del área de un terreno y a la vez como medida del volumen de grano.

Así que frente a la diversidad de sistemas de medida tradicionales, con peculiaridades propias de cada región, incluso de cada aldea, el sistema métrico introdujo criterios universales de igualdad en la medida. A pesar de las evidentes ventajas de utilizar un patrón común de medida, no gozó de una aceptación inmediata, en parte por la resistencia a cambiar los métodos tradicionales de medida, y en parte por el origen revolucionario, que suscitaba no pocas reservas.

En 1791 la Academia Francesa de Ciencias definió conceptualmente el metro como la diezmillonésima parte de un cuadrante del meridiano terrestre. Se pretendía superar las medidas tradicionales de base anatómica (el codo, la pulgada, el pie, la braza...) con un patrón de más universalidad, y por eso se tomó la Tierra como referencia.

Patrones materiales

El metro patrón de 1889 era una copia del metro que se estableció durante la famosa medida del meridiano terrestre entre Dunkerque y Barcelona. A partir de ese patrón inicial se construyó un prototipo de platino con dos marcas cuya distancia a 0 ºC constituyó la definición oficial de metro. En el caso del kilogramo, se definió conceptualmente como la masa de un litro de agua a 4 ºC y una atmósfera de presión, y se construyó un prototipo en platino que se guardó junto con el del metro en los Archivos de París.

Kilogramo y metro patrón. Bureau Internacional des Poids et Mesures.

Ambos patrones discrepan de la definición conceptual, pero eso importa poco. En realidad, el cuadrante del meridiano que pasa por París mide 10.001.869 metros, y el kilogramo masa es algo superior a la masa de un decímetro cúbico de agua destilada. En consecuencia, un litro es algo mayor que un decímetro cúbico: 1,000027 dm3. Digo que importa poco porque la referencia era el patrón, no la definición conceptual. En 1876 se fundó en París el Bureau International des Poids et Mesures, que construyó prototipos más resistentes e inalterables con platino y un 10% de Iridio. Los países adheridos a la Convención Internacional del Metro recibieron dos copias de cada patrón, de igual forma y material. En España, el Centro español de metrología se ocupa de la custodia de los patrones. El prototipo de metro es una barra con dos finas marcas que señalan esa distancia, y el de kilogramo masa es un cilindro de 39 mm de altura y de diámetro, con los cantos romos.

Patrones inmateriales

Aunque se conocen los errores de medida de las copias respecto del prototipo original, es evidente que resulta poco práctico e inseguro depender de un prototipo material como patrón de medida. Se alteran y son vulnerables frente a, por ejemplo, un desastre natural. Por ello se tiende a establecer nuevas definiciones con carácter más universal, que puedan reproducirse en cualquier laboratorio del mundo.

Esta tendencia ha producido sucesivas definiciones del metro. La Conferencia General de Pesos y Medidas de 1960 lo definió como 1650763,73 veces la longitud de onda de la línea espectral rojo-anaranjada (transición entre los niveles 2p10 y 5d5) del átomo de kriptón-86. Más adelante, la Conferencia de 1983 adoptó una nueva definición: el metro es la longitud del camino atravesado por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 / 299.792.458 de un segundo medido con un reloj de cesio. El interés de estas nuevas medidas reside en que ya no hay dependencia del prototipo de metro material.

Pero con el kilogramo no ha ocurrido lo mismo, porque no se ha encontrado un patrón inmaterial capaz de sustituirlo. El actual prototipo data de 1889, y se custodia con todo tipo de precauciones en el Bureau International des Poids et Mesures, en Francia. Solo se ha manipulado algunas veces, pero se cree que se ha modificado ligeramente su masa. Tan solo en tres ocasiones, separadas unos 40 años, se ha comparado la masa del patrón internacional con las masas de las copias oficiales, y los resultados muestran ciertas divergencias en el tiempo: las copias muestran variaciones de aproximadamente 5 x 10?8 desde su primera calibración con relación al patrón internacional.

Por eso algunos científicos creen que ha llegado el momento de encontrar algún tipo de definición que permita construir el kilogramo a partir de esa información, sin necesidad de un objeto material. Esta intención está recogida en el trabajo ?Redefinition of the kilogram: A Decisión Whose Time Has Come? presentado en un reciente meeting de la Royal Society, y publicado estos días en la revista Metrologia.

Si las propuestas de este grupo son aceptadas por la comunidad científica de metrólogos, las nuevas definiciones tendrían efecto en la próxima Conferencia General de Pesos y Medidas, que se celebra en París cada cuatro años. La próxima tendrá lugar en octubre de 2007.

El cambio supondría definir el kilogramo como constante universal. Una de las definiciones que se plantea se basa en la constante de Planck, lo que permitiría determinar el kilogramo a partir de un cierto número de fotones de determinada frecuencia. La otra definición se basa en el número de Avogadro, lo que permitiría determinar el kilogramo a partir de un número de átomos de un elemento.

Pero esto solo sería el principio. A medida que la tecnología mejore, es probable que sea necesario introducir nuevas definiciones más precisas. Aunque probablemente esto no suceda hasta dentro de unos cien años.