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La cuántica detrás de la redefinición del Sistema Internacional de Unidades

Yanine Quiroz
20/may/2019

Hoy, 20 de mayo, entra en vigor la redefinición de las unidades del Sistema Internacional. Hubo un tiempo en que el kilogramo, el kelvin, el ampere y el mol estaban definidos por patrones físicos pero a partir de ahora y gracias a que comprendemos mejor algunos fenómenos cuánticos y tenemos dispositivos de medición más exactos, estas unidades se han renovado.

“La física es una disciplina dinámica, cambia con el tiempo. Es natural y consistente que los patrones que se establecieron en un momento dado ya no sean vigentes. Hay nueva física y nuevas técnicas de medición que permiten mayor precisión”, afirmó Eugenio Ley Koo, investigador en física teórica del Instituto de Física.

Parte de esa nueva física está basada en la mecánica cuántica. Y, de acuerdo con el investigador, el hecho de que la humanidad haya logrado entender fenómenos cuánticos específicos es que ha sido posible redefinir esas cuatro unidades, así como actualizar el metro (m), el segundo (s) y la candela (cd).

El cambio que ha permitido la física cuántica es trascendental: en lugar de definirlas mediante patrones físicos o de bulto, como los cilindros de platino iridiado que se usaban para medir el metro y el kilogramo, ahora se definirán mediante los valores numéricos exactos de sus constantes físicas: la constante de Planck, para el kilogramo; la constante de carga elemental, para el ampere; la constante de Boltzmann, para el kelvin; y la constante de Avogadro, para el mol.

¿Cuáles son esos fenómenos cuánticos y dispositivos que incidieron en la redefinición de las unidades de medida? De acuerdo con Ley Koo, quien participó en el seminario “El cuanto de acción de Planck: A 19 + 100 años de su descubrimiento”, con el kilogramo, que es la unidad de masa, se tuvo que comprender la ley de distribución de frecuencias de la radiación de cuerpo negro como un fenómeno de cuantización.

El investigador explicó a noticias IFUNAM que el físico Max Planck “dijo que la energía intercambiada entre la radiación y la materia es un múltiplo entero de una cantidad, que es lo que llamó el cuanto de luz, y que es proporcional a la frecuencia de la radiación que se absorbe o emite entre un sistema en un estado i a un estado j. N puede ser 1, 2… h es la constante de Planck y es la que se acaba de redefinir en términos numéricos”.

En los últimos 40 años, señaló Ley Koo, la balanza de Kibble, que incorpora fuerzas electromagnéticas, ha permitido medir con mayor precisión las masas y la constante de acción de Planck (h). “Esta constante física ayuda a entender fenómenos de cuantización adicionales, como la cuantización de energía o de momento angular”, agregó.

La redefinición de la constante de Planck le da el valor numérico de 6.62607015 x 10-34 joules por segundo (J∙s). Así, la fuerza necesaria para balancear una masa dada quedará expresada en términos de la constante h.

Redefinición del kilogramo. Créditos: Información: Yanine Quiroz. Diseño: Mayagüel Csañas. Asesoría científica: Eugenio Ley Koo.

Por otro lado, en el caso del ampere (unidad de corriente eléctrica) esos fenómenos cuánticos corresponden al efecto Josephson, el cual permitió tener un nuevo patrón de volt, y al efecto Hall cuántico, que habilitó un nuevo patrón de resistencia.

Desde los años sesenta, se sabe cómo es el comportamiento cuántico de electrones en juntas de superconductor-aislante-superconductor que hacen pasar una corriente a través de un efecto túnel. A este efecto se le conoce como Josephson de corriente directa.

También se conoce el mismo efecto, pero con una diferencia de potencial aplicada entre los extremos de la junta, como el efecto Josephson de corriente alterna. Más tarde, a principios de 1980, se comprendió el efecto Hall cuántico, relativo al comportamiento de electrones en heteroestructuras semiconductoras sujetas a un campo magnético. El efecto Hall cuántico “determina el signo de los portadores de carga, la densidad, velocidad y conducción de los mismos pero ya no con conductores de bulto sino con conductores bidimensionales, como lo hizo Von Klitzin”, aclaró Eugenio Ley Koo durante el seminario.

Gracias a estos dos efectos se pudo medir el valor de la constante de acción de Planck (h) y el valor de la constante de carga del electrón (e). Era necesario entender estos dos fenómenos porque el ampere se definirá mediante el valor de esta última constante física. Así, 1 ampere equivaldrá a 1.602 176 634 x 10-19 coulombs (C), que es el valor de la constante e.

Redefinición del ampere. Créditos: Información: Yanine Quiroz. Diseño: Mayagüel Csañas. Asesoría científica: Eugenio Ley Koo.

Al cierre del evento, Ley Koo mencionó que la redefinición del SIU se dio gracias a la actualización continua del conocimiento en física y traerá varios cambios, pues “en física todo se va a estar midiendo con estas nuevas unidades. Pero también influirá en otras ramas, como la ingeniería, la química y la biología misma”.

Checa nuestras infografías en la sección de Multimedia, para conocer más sobre la redefinición de las cuatro unidades de medida.