El 16 de noviembre de 2018, la 26ª Conferencia
General sobre Pesos y Medidas (CGPM) votó por unanimidad a favor de la
revisión de las definiciones de las unidades base del SI, que
el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) había
propuesto anteriormente. Las nuevas definiciones entrarán en vigor el 20 de
mayo de 2019. El kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol se
definirán estableciendo valores numéricos exactos para la constante de
Planck (h), la carga eléctrica elemental (e), la constante
de Boltzmann (k) y la constante de Avogadro (NA),
respectivamente. El metro y la candela ya están definidos por constantes
físicas, sujetas a corrección a sus definiciones actuales únicamente por
mejoras tecnológicas. Las nuevas definiciones apuntan a mejorar el SI sin
cambiar el tamaño de las unidades, asegurando así la continuidad con las
mediciones existentes.
Figura
1. Las unidades
de medida actuales, basadas en constantes universales como la velocidad
de la luz, son más estables y reproducibles que las antiguas,
que dependían de objetos físicos vulnerables. Este cambio evita riesgos históricos
y geopolíticos, garantiza precisión científica y permite que
cualquier laboratorio acceda a estándares confiables, fortaleciendo la equidad
y el progreso tecnológico global.
El sistema métrico se concibió
originalmente como un sistema de medición derivado de fenómenos invariables,
"para todas las personas, de todos los tiempos", pero las
limitaciones técnicas requerían el uso de artefactos (el metro patrón y el
kilogramo patrón) cuando el sistema métrico se introdujo por primera vez en
Francia en 1799. Aunque diseñados para no degradarse o descomponerse, estos
prototipos en realidad perdieron cantidades minúsculas de masa con el tiempo,
incluso en sus cámaras selladas. Los cambios en la masa, y con ellos los
valores proporcionados por los artefactos, eran tan pequeños que eran
imperceptibles sin el equipo más sensible. Sin embargo, según esa misma lógica,
esos instrumentos sensibles ya no podrían proporcionar mediciones exactas, o al
menos no dentro de un nivel de tolerancia aceptable. En 1960, el metro se
redefinió en términos de la longitud de onda de la luz de una fuente
específica, por lo que se puede derivar de fenómenos naturales universales,
dejando al kilogramo prototipo como el único artefacto del que
dependen las definiciones de la unidad SI. Con la redefinición de 2019, el SI
es por primera vez totalmente derivable de los fenómenos naturales.
De esta manera los institutos encargados de crear patrones de medida como
el ICONTEC colombiano o el NIST norteamericano
pueden, al menos en teoría, crear sus propios kilogramos patrones perfectos sin
el prerrequisito de mandar a hacer una copia a Francia.
El nuevo kilogramo
La definición del kilogramo cambió fundamentalmente: la
definición anterior definió el kilogramo como la masa del prototipo
internacional kilogramo, que es un artefacto y no una constante de la
naturaleza, mientras que la nueva definición lo relaciona con la masa
equivalente de la energía de un fotón dada su frecuencia, a través de la constante
de Planck. La idea detrás de esto es simple, dado que los fotones de una
frecuencia fija tienen masa fija calculable empleando la constante de Planck,
estos objetos físicos serían el nuevo IPK, con la diferencia de que al no ser
fabricados por el hombre y al tener una naturaleza constante en el universo
pueden ser empleados como un patrón realmente universal, para todas las
personas, de todos los tiempos en cualquier lugar del universo.
Figura
2. La balanza de Watt, inventada por Bryan Kibble en 1975
en el NPL del Reino Unido, mide la masa mediante fuerzas
electromagnéticas, sin usar patrones físicos. Relaciona la masa con la constante
de Planck usando principios como la ley de Lorentz y la ley de
Faraday, y fue clave en la redefinición del kilogramo en 2019.
La idea anterior es fácil de entender, pero aquí es donde
comienza lo complejo: la nueva definición del kilogramo parte del
siguiente principio:
“El kilogramo, símbolo kg, es la unidad de masa del SI. Se
define tomando el valor numérico fijo de la constante de Planck ℎ
igual a 6.62607015×10⁻³⁴ kg·m²/s,
donde el metro se define con base en la velocidad de la luz y el segundo,
mediante la frecuencia del cesio-133.” Al asignar un valor fijo a la
constante de Planck —cuyas unidades incluyen el kilogramo— y al definir
el metro a partir de la velocidad de la luz, el tamaño de un kilogramo se
vuelve constante. Puede pensarse como un anclaje inmutable: el
kilogramo queda vinculado para siempre a una constante universal.
La redefinición del kilogramo ha sido un reto
científico monumental que tomó varias décadas. El principal desafío fue medir
con alta precisión la constante de Planck, lo que requiere una técnica
confiable y reproducible. Así como la velocidad de la luz sirve como patrón
para el metro, la constante de Planck debía alcanzar el mismo nivel de
exactitud. Para lograrlo, el NIST y otros laboratorios del mundo
desarrollaron una máquina extremadamente precisa: la balanza de Kibble
(también conocida como balanza de Watt), que permite medir la constante
de Planck con una incertidumbre mínima, suficiente para que se convierta en la
nueva base del kilogramo.
La balanza de Kibble, alojada en instalaciones
subterráneas del NIST, se aísla de cualquier vibración mediante una losa
flotante de concreto. Por su sensibilidad extrema, los científicos deben usar
medidas rigurosas de limpieza. Este instrumento, ideado por el físico británico
Bryan Kibble, reemplaza el sistema de pesas físicas al equilibrar
la energía mecánica de una masa con una energía eléctrica equivalente.
En esencia, transforma un concepto clásico de balanza en una herramienta de metrología
cuántica
Lo verdaderamente importante es que, en las complejas
ecuaciones involucradas en la balanza de Kibble, entre todas las
variables presentes —como la masa, la velocidad, la fuerza
gravitacional, el magnetismo y la electricidad— se encuentra
la constante de Planck (ℎ). Utilizando esta máquina,
los científicos lograron determinar el valor de ℎ con una precisión y exactitud
suficientes para emplearla como nuevo patrón de masa. Esto es posible
porque, como nos enseñó Albert Einstein con su célebre ecuación 𝐸
= 𝑚𝑐², la energía y la masa
son, en esencia, dos manifestaciones distintas de una misma realidad.
Ahora bien, podrías preguntarte: ¿qué papel cumple hoy la balanza
de Kibble si ya se definió la constante de Planck? Su función es reemplazar
la necesidad del Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK) conservado en
Francia. Ya no se depende de un objeto físico, porque ahora la masa de un
kilogramo se conoce en términos de una constante universal que puede
aplicarse en cualquier lugar del universo.
Este nuevo patrón garantiza una medición precisa e
inmutable, permitiendo que un kilogramo sea siempre un kilogramo,
sin importar el tiempo, el lugar o la persona que lo mida. Poéticamente, el nuevo
estándar de masa está anclado en la luz misma, en las leyes
fundamentales del universo, asegurando una referencia tan universal como
inspiradora.
El nuevo amperio
La definición del amperio, unidad de corriente
eléctrica en el Sistema Internacional, fue profundamente revisada en 2019. La
definición anterior se basaba en una fuerza entre conductores infinitamente
largos y paralelos, lo cual era teóricamente elegante, pero prácticamente
difícil de reproducir con alta precisión en laboratorios. Por esta razón,
se adoptó una nueva definición más intuitiva y fácil de implementar,
basada en una constante fundamental de la naturaleza.
Desde entonces, el amperio se define tomando el valor
numérico fijo de la carga elemental (e) como exactamente 1.602176634
× 10⁻¹⁹ A·s. Esto significa que un amperio equivale al flujo de
1/e electrones por segundo. Como el segundo ya está definido con
base en las transiciones del átomo de cesio-133, esta redefinición
permite establecer el amperio de forma estable, reproducible y universal,
sin depender de artefactos físicos, sino de propiedades fundamentales de la
materia.
El nuevo kelvin
La definición del kelvin, unidad de la temperatura
termodinámica en el Sistema Internacional (SI), fue modificada
profundamente con el objetivo de desligarla de propiedades materiales
específicas. Antiguamente, el kelvin se definía en función del punto triple
del agua, una condición en la que el agua coexiste en estado sólido,
líquido y gaseoso. Aunque esta definición fue útil durante décadas, su
dependencia de una sustancia específica generaba imprecisiones en condiciones
experimentales distintas, por lo que se optó por una base más universal.
La nueva definición del kelvin se apoya en una constante
fundamental de la física: la constante de Boltzmann (k). Esta constante
vincula la energía promedio por partícula con la temperatura absoluta,
estableciendo una conexión directa entre el mundo microscópico y las variables
macroscópicas. Su valor se ha fijado en 1.380649×10⁻²³ kg·m²/(s²·K), lo que permite que el kelvin se defina sin recurrir a
ninguna sustancia específica, sino únicamente a propiedades físicas invariables
del universo.
Desde un punto de vista conceptual, la constante de
Boltzmann puede entenderse como la constante de los gases ideales (R)
sustituyendo mol por el número de Avogadro. Es decir, mientras R
describe el comportamiento energético de una mol de gas ideal, la
constante de Boltzmann describe ese mismo comportamiento para una sola
partícula o entidad individual. Al eliminar el mol, se establece una
relación directa entre la energía (por ejemplo en julios o
litros·atmósfera) y la temperatura en kelvin, de modo que se puede
calcular la energía media por partícula a partir de la temperatura, y
viceversa.
Gracias a esta redefinición, el kelvin queda vinculado a constantes
universales como la constante de Planck (h), la velocidad de la luz (c) y
la frecuencia de transición del cesio-133, que definen respectivamente al kilogramo,
metro y segundo. Esto refuerza la coherencia interna del SI al
conectar todas las unidades fundamentales a propiedades físicas constantes,
independientes de cualquier artefacto o material. Así, la temperatura se
convierte en una magnitud plenamente universal y reproducible en cualquier
parte del mundo.
El nuevo mol
La principal diferencia en la nueva definición del mol
es que ya no se basa en la masa del carbono-12, como se hacía
anteriormente, sino que ahora se define directamente a partir de un valor fijo
del número de Avogadro, es decir, NA
= 6.022 140 76 × 10²³ entidades elementales/mol. Esto
significa que un mol representa exactamente esa cantidad de entidades, sin
necesidad de asociarlo a una masa específica. Según la definición oficial,
estas entidades elementales pueden ser átomos, moléculas, iones,
electrones, otras partículas o incluso conjuntos definidos de ellas, siempre
que se indique de manera explícita cuál es la naturaleza de la entidad que se
está contando.
De acuerdo con el Libro de Oro de la IUPAC, en las
fórmulas químicas y físicas el tipo de entidad elemental no se especifica en la
parte operativa, ya que se asume como una variable cuantizada o discreta
y por lo tanto adimensional. Esto permite operar con el número de moles
sin necesidad de anotar repetidamente la identidad específica de las partículas
involucradas, simplificando el tratamiento algebraico y matemático de las
cantidades. La idea es que el mol funciona como una especie de marcador de
cantidad, y es el contexto el que determina qué se está contando, tal como en
la vida cotidiana usamos términos como “una docena” sin tener que decir cada
vez “una docena de huevos”.
Para evitar la proliferación innecesaria de fórmulas y
constantes en este curso, adoptaremos una interpretación práctica del mol
como una unidad de conjunto de entidades, equivalente a otras unidades
colectivas como el par, la docena o el ciento, pero con un
valor numérico mucho más grande, definido como el número de Avogadro. Esta
interpretación nos permite usar un único parámetro, n, para referirnos
al número de conjuntos, sin importar si estos representan unidades
individuales, pares, decenas, docenas, cientos o moles. Así, podemos unificar
el tratamiento algebraico de muchas situaciones y evitar el uso de
múltiples versiones de una misma fórmula para distintas escalas de conteo.
Referencias
Cabral, M. D. (2018). Kilogramo: Redefiniciones en el
sistema internacional de unidades. Revista Skopein, (19).
Esser, M. (2018). Reason
and Measurement, Suits and Ties: My Personal Journey to the New SI. Recuperado de
https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/reason-and-measurement-suits-and-ties-my-personal-journey-new-si
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Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants. Recuperado
el 20 de noviembre de 2018, de
https://www.nist.gov/news-events/news/2018/11/historic-vote-ties-kilogram-and-other-units-natural-constants
Robinson, I. A. (2018). The
Kibble Balance and the Forthcoming Revision of the SI. En 2018
Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018) (pp.
1–2). IEEE.
Schlamminger, S. (2018). Redefining the Kilogram and Other SI Units.
Stock, M. (2018). The Revision of the SI–Towards an International System of
Units Based on Defining Constants. Measurement Techniques,
60(12), 1169–1177.
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