Artículo publicado originalmente por Brenda Valderrama en la columna "Reivindicando a Plutón" del Sol de Cuernavaca el 26 de octubre de 2015
En México utilizamos el sistema métrico decimal para la
medición de distancia, masa y volumen. La característica fundamental del
sistema es que una vez definida la unidad, los múltiplos serán con base 10 (por
eso decimal). Por ejemplo, para medir masa la unidad es el gramo por lo que un
décimo de gramo se llamará decigramo, un centésimo centigramo y un milésimo
miligramo. En el otro sentido, diez gramos serán un decagramo, cien gramos un
hectogramo y mil gramos un kilogramo. De
todas estas unidades la más común es el kilogramo o, como le decimos
cariñosamente, el kilo.
Mucha de nuestra actividad comercial se basa en el
intercambio de bienes precisamente en este orden de magnitud, en kilogramos.
Con la finalidad de asegurar que todos los kilos sean de a kilo, se han
generado estándares o referencias contra las cuales se tienen que calibrar las
básculas y balanzas. Los comerciantes deben acceder de manera voluntaria a esta
calibración y así generar la confianza de los compradores que no les comprarían
si sospecharan que no se llevan su mercancía completa. Ahora, si es difícil
asegurar que todas las básculas de un mercado estén correctamente calibradas
imaginen el reto de asegurar que todas las básculas del mundo lo estén. Porque
un kilo debe ser un kilo en un mercado de Cuernavaca, en uno de Madrid y en uno
de Tokio.
En el Sistema Internacional de Medidas resulta que el kilo
es la única unidad que es un artefacto en lugar de ser una propiedad física
fundamental y por lo tanto no puede ser replicado en otros lugares del mundo.
Es decir, que existe un objeto real (llamado prototipo) que pesa un kilo y
contra el que todos los demás kilos del mundo son comparados incluyendo el de
tortillería de la esquina. El prototipo internacional del kilogramo data de
1875 cuando la Conferencia Internacional de Pesos y Medidas decide comisionar
su fabricación y cuyas siete copias se encuentran bajo la custodia de la
Oficina Internacional de Pesos y Medidas en las afueras de París. Físicamente,
el prototipo es un cilindro de 39.17 mm
de altura fabricado con una aleación de 90% platino y 10% iridio. Su
composición le confiere alta resistencia a la oxidación, muy alta densidad (21
veces la del agua), razonables conductividad eléctrica y térmica y baja
susceptibilidad magnética. Para garantizar su seguridad se requieren tres
diferentes llaves para abrir la bóveda aunque se envían copias certificadas a
los diferentes países para ser utilizadas como estándares nacionales las cuales son calibradas regularmente.
Es precisamente en estas actividades de calibración que
comenzaron a detectarse pequeñas desviaciones en la masa de los cilindros, es
decir, que a pesar de haber sido calibrados con extrema exactitud y de ser
mantenidos bajo dos cubiertas de cristal ya no pesaban un kilo sino que habían
acumulado algunos microgramos de masa. Un microgramo corresponde a la mil
millonésima parte de un kilogramo, que podrá parecernos muy poco, pero desde el
punto de un sistema internacional de calibración la diferencia es suficiente
para generarles a los responsables un fuerte dolor de cabeza.
Más aún porque la influencia del kilogramo es insospechada.
Unidades de medida como por ejemplo el lumen (que mide la intensidad de la luz
de una lámpara) o la caloría (que representa la aportación calórica de los
alimentos) dependen indirectamente de la precisión del kilogramo. Si el
estándar cambia con el tiempo, tal como ha venido sucediendo, entonces sería
necesario redefinir todas sus unidades subordinadas cada 50 años. Por la
extrema complejidad de esta situación, desde 1999 se comenzó a considerar la
conveniencia de generar un referente para el kilogramo que no dependiera de un
objeto sino que pudiera ser generado a partir de una propiedad física
fundamental de la materia, las cuales sabemos, no varían con el tiempo ni con
el lugar donde se determinen por lo que son universales.
Para evitar resultados tendenciosos, la Conferencia
Internacional de Pesos y Medidas solicitó a los científicos especialistas le
propusieran al menos dos métodos diferentes para generar la nueva definición de
la unidad. Después de escuchar muchas
propuestas se obtuvieron dos métodos ganadores. Uno de ellos, llamado Proyecto
Avogadro, propuso fabricar dos esferas gemelas con el mismo peso del prototipo
internacional y contar el número exacto de átomos en cada una, esperando que
sean iguales. El material de las esferas sería Silicio 28, el mismo elemento
que encontramos en la arena y con el que se produce el vidrio. La razón para
utilizar silicio es porque los átomos de este material se asocian entre ellos
formando cristales perfectos excluyendo cualquier impureza. Es decir, en un
cristal de silicio solo hay silicio.
La sola manufactura de las esferas nos habla de la
importancia de la misión. El Silicio 28 de la más alta pureza fue producido por
el Ministerio Nuclear Ruso en San Petersburgo mediante la transformación de tetrafluoruro
de silicio (SiF4) a tetrahidruro de silicio (SiH4) el
cual fue trasladado para su conversión a Silicio puro al Instituto Ruso de
Materiales Ultrapuros en Nishini-Novgorod. El Silicio 28 fue posteriormente
procesado en el Instituto Alemán de Crecimiento de Cristales en Berlín donde
durante seis meses lo fundieron y solidificaron repetidamente para remover
contaminantes. El cristal de 5 kilogramos de peso fue entonces enviado al
Centro Australiano de Óptica de Precisión en Sydney, que es el único
laboratorio del mundo que puede fabricar esferas perfectas.
La teoría nos dice que si sabemos la masa y el volumen de la
esfera, será posible, utilizando un tercer término llamado Constante de
Avogadro, conocer con una precisión de un mil millonésimo el número de
átomos. Hago notar que la precisión de
esta propuesta es en el mismo orden de magnitud que el error del prototipo
actual del kilogramo, por lo que es viable la solución. El reto queda entonces
en definir la Constante de Avogadro, tema que trataremos en la siguiente
entrega de esta columna.
