El Sistema Internacional de Unidades (SI)
está compuesto por siete unidades fundamentales y un conjunto
de unidades derivadas con nombres especiales, acompañadas
por prefijos que representan potencias de diez. Durante la
mayor parte de la historia de la ciencia, las unidades base se definieron
mediante realizaciones físicas concretas. Esta situación cambió en 2019, cuando
se adoptaron nuevas definiciones basadas en constantes universales,
con el fin de hacerlas más estables, precisas y aplicables en cualquier lugar
del universo.
Aunque el sistema métrico decimal nació con
solo dos unidades fundamentales —el metro y el kilogramo—,
el desarrollo científico impulsó la ampliación a siete unidades base, a partir
de las cuales se construyen todas las demás magnitudes físicas. Estas unidades
son: el metro (m), para la distancia; el kilogramo (kg), para la masa;
el segundo (s), para el tiempo; el amperio (A), para la
corriente eléctrica; el kelvin (K), para la temperatura; la candela (cd), para la
intensidad luminosa; y el mol (mol), para la cantidad de sustancia.
Actualmente, las definiciones de estas unidades buscan
basarse, siempre que sea posible, en fenómenos físicos universales e
inmutables, que puedan ser reproducidos en cualquier lugar del cosmos —excepto,
quizá, en condiciones extremas como las cercanías de un agujero negro.
El objetivo es lograr una base común, confiable y constante para la ciencia. No
obstante, aún persisten retos, como la definición práctica de la masa, que
sigue siendo una de las más complejas y debatidas.
Midiendo la distancia con el metro
La distancia, medida en metros en
el Sistema Internacional (SI), representa el espacio entre dos puntos. A
lo largo del tiempo, la definición del metro ha evolucionado para ajustarse a
criterios cada vez más precisos y universales.
En 1795, el metro fue definido como la diezmillonésima parte
(\(10^{-7}\)) de la distancia entre el polo norte y el ecuador, a lo largo del
meridiano que pasa por París. Sin embargo, al crear la barra física que debía
representar esta medida en 1799, los cartógrafos no corrigieron adecuadamente
por la curvatura terrestre, lo que la hizo ligeramente más corta. Esta barra,
conocida como el "metro de los archivos", fue la
referencia por 90 años.
En 1889 se introdujo un nuevo prototipo: una barra de platino e iridio,
calibrada a \(\ce{\color{#006cda}0 °C}\). En 1927 se volvió a ajustar,
considerando también la presión atmosférica. Sin embargo, basar toda la
medición global en un único objeto físico era arriesgado; un desastre como un
bombardeo en Sèvres, donde se resguardaba la barra, podía afectar la
trazabilidad de todas las medidas del mundo. Esta vulnerabilidad impulsó la
búsqueda de una definición más estable.
En 1960, el metro se redefinió usando la longitud de onda de
la radiación emitida por átomos de kriptón-86. Aunque más precisa,
seguía dependiendo de una sustancia específica. Finalmente, en 1983 se adoptó
la definición actual: el metro es la distancia que recorre la luz en el vacío
durante \(1/299\,792\,458\) segundos, basada en la constancia universal de la velocidad
de la luz.
En cuanto a su notación en fórmulas, la distancia suele
representarse con variables como \(x\), \(h\), \(r\), entre otras, dependiendo
del contexto físico o matemático.
Figura
1. El metro,
definido por una barra de platino-iridio hasta 1960, fue reemplazado por un
estándar atómico basado en la luz del kriptón-86. En 1983, su
definición se ligó a la velocidad de la luz, estableciéndolo como la
distancia que la luz recorre en un tiempo específico. Esta evolución eliminó la
dependencia de objetos físicos, marcando un hito hacia patrones universales
y reproducibles en la metrología moderna.
Midiendo la cantidad de masa con el gramo
La masa es la cantidad de materia de un
cuerpo, sin importar su composición específica. A diferencia del peso —una
fuerza que depende de la gravedad—, la masa es constante y no varía según el
lugar donde se mida. Por ejemplo, un objeto tendrá la misma masa en la Tierra o
en Marte, pero su peso será diferente por la distinta aceleración
gravitacional.
En el Sistema Internacional, la unidad de masa
es el kilogramo, aunque en cálculos matemáticos suele emplearse
el gramo por conveniencia. Esta diferencia entre la unidad
oficial y la usada en ejercicios es importante a nivel práctico.
Inicialmente, en 1793, el kilogramo fue definido como la
masa de un litro de agua a \(\ce{\color{#006cda}0 °C}\). En 1799 se creó un
cilindro de platino con esa masa, conocido como el "kilogramo de
los archivos", que sirvió como patrón durante 90 años. En 1889 se
sustituyó por el Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK),
una barra de platino e iridio almacenada en condiciones estrictas en Sèvres,
Francia.
El IPK es la única unidad fundamental
del SI que aún depende de un objeto físico. A lo largo del
tiempo, se ha observado que el IPK y sus copias han comenzado a diferir en
masa, un fenómeno aún no del todo explicado, pues algunos patrones ganan masa y
el IPK parece perderla.
Ante esta incertidumbre, la ciencia busca dos caminos: o
bien cuantificar con precisión las variaciones del IPK, o bien reemplazarlo por
una definición basada en constantes universales, como ya ocurre con otras
unidades del SI.
Figura
2. El Prototipo
Internacional del Kilogramo (IPK), un cilindro de platino-iridio, fue el patrón
oficial de masa desde 1889 hasta 2019. Almacenado en Sèvres, Francia,
sirvió para calibrar estándares globales. En 2019, fue sustituido
por una nueva definición basada en constantes físicas universales
como la constante de Planck, eliminando la dependencia de un objeto
físico y marcando un avance crucial en la metrología.
Midiendo el tiempo con el segundo minuto
El tiempo, aunque difícil de definir, hace
referencia al cambio y es medido mediante unidades muy conservadoras. El
sistema métrico, al intentarlo, fracasó en redefinir el segundo en términos
decimales. Aunque el sistema métrico original no incluía unidades de tiempo, su
propuesta de dividir el día en 10 horas decimales, cada una en 100 minutos y
cada minuto en 100 segundos, no prosperó. Sin embargo, las subdivisiones del
segundo, como centésimas y milésimas, siguen siendo métricas.
Cuando el tiempo fue integrado al sistema métrico, el
segundo se definió en relación con un día solar promedio. A partir
de allí, se adoptaron prefijos decimales o se convirtió a unidades como
minutos, horas o días.
El segundo métrico combina la tradición
helenística, que heredó de los egipcios y babilonios la división del día en 12
y 60 segmentos, respectivamente. Los relojes mecánicos, precisos solo desde
1660, permitieron dividir el minuto en 60 segundos. Así, el segundo se definió
como \(1/86,400\) de un día, integrándose al sistema métrico.
En 1956, el segundo fue redefinido como \(1/(31 556 925 9747)\)
de un año solar tropical de 1900. Luego, se descubrió que los isótopos
radiactivos decaen a un ritmo constante. Actualmente, el segundo se define
como 9 192 631 770 periodos de radiación de cesio-133,
lo que permite crear relojes atómicos precisos en cualquier
parte del mundo, sin necesidad de custodiar una unidad centralizada.
Figura
3. Los relojes
atómicos miden el tiempo con precisión extrema usando la resonancia de
átomos (ej. cesio-133). Inicialmente emplearon máseres; hoy, con átomos
ultrafríos, logran precisiones de 1 × 10⁻⁹
segundos/día. Son esenciales para GPS,
telecomunicaciones y ciencia fundamental, con instituciones como
el NIST manteniendo estándares de tiempo con errores mínimos.
Midiendo la corriente eléctrica con el amperio
El amperio no fue la unidad base original.
En el sistema CGS, la unidad base era la corriente que, al circular
por un arco de \(\color{Purple}\textbf{1 cm}\) en un círculo de
\(\color{Purple}\textbf{1 cm}\) de radio, generaba un campo de
\(\color{Purple}\textbf{1 oersted}\) en el centro. El amperio equivalía a \(1/10\)
de esa unidad.
Más tarde, se definió como la corriente necesaria para
depositar \(\color{Purple}\textbf{0.001118 gramos}\) de plata por segundo desde
una solución de nitrato de plata, aunque se comprobó un error del
\(\color{Purple}\textbf{0.015 %}\) en esa definición.
Hoy, el amperio se define mediante la balanza de
Watt: es la corriente constante que, mantenida entre dos conductores
rectos, paralelos, de longitud infinita y sección circular despreciable,
separados un metro en el vacío, produce una fuerza de \(2 × 10^{-7}\)
\(\color{Purple}\textbf{N}\) por metro.
Midiendo la temperatura con el kelvin
Para definir una escala de temperatura se requieren dos
puntos: un punto cero (frío) y un punto de referencia
alto (caliente). A lo largo del tiempo se han propuesto varias
escalas, pero la métrica original fue la de Celsius (1743),
donde \(\ce{\color{#006cda}0 °C}\) corresponde al punto de congelación del agua
y \(\ce{\color{#006cda}100 °C}\) al de ebullición, ambos a nivel del mar.
En 1848, William Thomson (Lord Kelvin)
propuso una escala basada en principios termodinámicos, no en sustancias
específicas. Su punto cero, el cero absoluto, marca la ausencia
teórica de movimiento molecular. El punto de referencia superior es el punto
triple del agua, donde coexisten sus tres estados en equilibrio. Esta
referencia, al tener condiciones definidas de temperatura, presión y volumen,
es más precisa que los puntos de congelación o ebullición. La escala Kelvin se
ajustó para mantener el mismo tamaño de grado que Celsius, por lo que son
intercambiables excepto por el desplazamiento del cero.
Midiendo cantidad de sustancia con el mol
El mol es la unidad química para medir
cantidad de sustancia, diferenciando entre tipos específicos de átomos o
moléculas. Su utilidad radica en facilitar cálculos para la producción química
a escala industrial.
Inicialmente, en 1900, se definió como la masa
atómica o molecular expresada en gramos. En 1967, se redefinió como la
cantidad de átomos en \(\color{Purple}\textbf{0,012 kg}\) de carbono-12.
Esta referencia sirve como base para calcular las masas atómicas de todos los
elementos en la tabla periódica.
Figura
4. La
definición del mol evolucionó: inicialmente, eran doce gramos de carbono-12
puro. Actualmente, se define por un número fijo y exacto de entidades
(la constante de Avogadro: 6.02214076 × 10²³). Este cambio elimina la
dependencia de un material y la necesidad de mediciones experimentales
continuas, aportando mayor estabilidad y precisión al Sistema
Internacional de Unidades (SI).
Intensidad lumínica con la candela
Es el brillo emitido por luz monocromática a una frecuencia
de \(5.4 \times 10^{14}\) \(\color{Purple}\textbf{hertz}\) y que posee una
intensidad radiante direccional de \(1/683\) \(\color{Purple}\textbf{watts}\)
por estereorradián.
Utilidad
Cada una de las unidades es útil en su campo, pero hay unas
que empleamos más que otras a nivel escolar o diario. Las definiciones de distancia, masa, temperatura y tiempo son
por mucho las más empleadas para la vida diaria, seguidas de la corriente
eléctrica. La cantidad de sustancia específica es útil en
el contexto químico, mientras que la intensidad lumínica encuentra
su mayor aporte en el efecto fotoeléctrico que conllevo a la propuesta de la
teoría mecánico cuántica ondulatoria. Sin embargo, para ser prácticos, las
candelas solo las veremos en este capítulo.
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