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La redefinición de unidades ¿cambia nuestra vida?

Yanine Quiroz
30/may/2019

Con el más reciente cambio en el Sistema Internacional de Unidades (SI), que desde el pasado 20 de mayo redefinió al kilogramo, ampere, kelvin y al mol, con base en constantes físicas, aumenta la capacidad del ser humano para medir con altísimas precisiones. ¿Pero hay alguna consecuencia para la vida práctica de las personas?

Para celebrar el Día Mundial de la Metrología (20 de mayo), el pasado jueves se llevó a cabo una serie de charlas en el Instituto de Física (IF) para abordar en qué consistieron estos cambios y cómo afecta, o no, la forma en la que medimos las cosas.

“Somos una generación privilegiada, nos ha tocado vivir la mayor transformación del SI desde su creación, hace más de 100 años. Es la reestructuración más importante del SI”, destacó José Mauricio López Romero, investigador del Cinvestav Querétaro.

José Mauricio López Romero. Foto: David Salcedo/Unidad de Comunicación IFUNAM

Pero esa transformación no cambiará prácticamente en nada la forma en la que actualmente la gente utiliza estas unidades en su vida cotidiana, dijo Eugenio Ley Koo, investigador del IF. “Ahí mismo cuando ves la vida diaria, cuando vayas a comprar las tortillas, la leche o cualquier alimento, no te va a afectar para nada”, afirmó.

Sin embargo, los investigadores que se reunieron en el IF coincidieron en que aunque la redefinición no cambia nuestras vidas como ciudadanos sí es un gran paso para la ciencia y la tecnología, pues ahora se tienen unidades de medida con incertidumbres mucho más pequeñas y, por lo tanto, mediciones más precisas.

“Las nuevas definiciones para lo que nos sirven es para que cualquier científico haga un experimento en un laboratorio y materialice una unidad de medida, que a su vez servirá para calibrar instrumentos y para hacer investigación”, dijo Carlos David Avilés Castro, coordinador del Grupo de Patrones Cuánticos y del Laboratorio de Equipos Multifunciones del Centro Nacional de Metrología (CENAM).

Más allá de las aplicaciones en los laboratorios, para Víctor Romero Rochín, investigador del IF, la redefinición del SI conlleva nuevas posibilidades en diferentes campos de la vida humana: “el cambio tiene implicaciones científicas, tecnológicas, sociales, comerciales y médicas. Si vemos al pasado, toda la tecnología que ahora usamos: smartphones o computadoras, fue gracias a que tuvimos mediciones cada vez más precisas”, aseveró.

Otro de los cambios que podría haber es en el ámbito de las transacciones comerciales, algunos materiales que pueden resultar muy caros ahora se van a medir con mayor precisión, indicó Ley Koo.

También podría impactar en la industria farmacéutica. “Una compañía farmacéutica puede necesitar medir productos químicos para la investigación de nuevos medicamentos en cantidades que son un millón de veces más pequeñas que un kilogramo estándar. La nueva definición del kilogramo permitirá mediciones mucho mejores de estas masas de miligramos y microgramos”, afirma, en su sitio web, el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés).

Constante de Planck, el eslabón de la redefinición del SI

“Lo que limitó por muchos años las redefiniciones de las unidades de base del SI fue la medición del valor numérico de la constante de Planck. La idea de redefinir el SI surgió hace casi 10 años pero apenas lo hemos logrado”, resaltó Avilés Castro.

Carlos David Avilés Castro. Foto: David Salcedo/Unidad de Comunicación IFUNAM

¿Pero en qué consiste la constante de acción de Planck (h)? h es una constante importante en la física cuántica: relaciona la energía de un fotón con su frecuencia electromagnética. Se le llama constante de acción porque la cantidad de acción de un proceso físico (el producto de la energía y el tiempo utilizado) solo se expresa en valores enteros de h.

Romero Rochín explicó que antes de 1900 varios científicos buscaban entender la radiación de un cuerpo negro. “Un cuerpo negro es aquel que emite radiación electromagnética en equilibrio. La pregunta era cuál es esa cantidad”, indicó.

Así que Planck inventó un modelo de cuerpo negro, que era un conjunto de osciladores independientes a una frecuencia dada y demostró que la distribución espectral –que es el comportamiento de la energía respecto a la frecuencia– que estaban buscando, podía calcularse a partir de conocer la radiación de los osciladores en equilibrio.

“Él transformó el problema de estudiar la radiación electromagnética a estudiar un problema de termodinámica de osciladores”, apuntó el investigador. Después, Planck retomó la fórmula de la constante de Boltzmann para calcular la entropía –que es la magnitud termodinámica que mide la parte de energía no utilizable para realizar un trabajo– de los osciladores y de esa manera pudo conocer la energía de cada uno de ellos y además obtuvo el valor de la constante h.

Víctor Romero Rochín. Foto: David Salcedo/Unidad de Comunicación IFUNAM

Conocer la constante de Planck permitió, de alguna manera, llegar a las otras constantes físicas que ahora redefinen a 4 unidades del SI, de acuerdo con Romero Rochín: “Planck, en su trabajo, calculó la constante h pero también la constante de Boltzmann (k) que ahora define al kelvin, la constante de Avogadro (NA) que define al mol y la constante de carga del electrón (e) que define al ampere”.

La constante de Planck (h) permitió definir al nuevo kilogramo mediante la balanza de Kibble, la cual funciona con fuerzas electromagnéticas que brindan información sobre la constante h y las masas.

Una segunda opción para medir el kilogramo fue a través de calcular la constante de Avogadro con una esfera de silicio, esto es, medir el número de átomos que hay en esa esfera. Ese experimento relaciona la masa de la esfera con la constante de Planck, pero sólo un laboratorio alemán tiene la capacidad tecnológica para realizarlo, señaló Avilés Castro.

El metro, el segundo y la candela

El asunto con las otras tres unidades del SI: el metro, el segundo y la candela, es que ya se definían con constantes físicas.

“Lo único que pasa con el metro, la candela y el nuevo segundo es que antes las definiciones eran una descripción del experimento que debían hacer para realizarlos. Y ahora, por ejemplo, el metro simplemente se relaciona con la velocidad de la luz, que se puede obtener con cualquier experimento. Solo es un cambio de redacción. Las otras cuatro unidades sí cambiaron drásticamente su definición”, afirmó Avilés Castro.

El científico del CENAM recordó que desde 1983 el metro se define con el valor de la velocidad de la luz en el vacío. En el caso de la candela, desde 1979 se define con la eficacia luminosa de una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz. Y el segundo se define desde 1967 como la frecuencia de la transición hiperfina del estado base del átomo de cesio 133.

Sobre esto último, Fernando Ramírez Martínez, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, comentó que gracias a que se tuvo mediciones más precisas de la energía de transición de un átomo frío de cesio en el rango de las microondas, se pudo tener la actual definición del segundo, que es nuestro estándar del tiempo.

Fernando Ramírez Martínez. Foto: David Salcedo/Unidad de Comunicación IFUNAM

“Las tecnologías de los átomos fríos surgieron en los 80’s: a través de la interacción con láseres se controlaron los estados de movimiento de los átomos y se lograron enfriar y atrapar. Cuando eso pasa se tienen anchos muy delgados de velocidades de los átomos, lo que ofrece mediciones más precisas. Desde los 90’s empezó a realizarse metrología de tiempo y frecuencia utilizando átomos fríos”, contó.

Ramírez Martínez y José Mauricio López Romero, investigador del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinestav) Querétaro, coincidieron en que el segundo es la unidad que podría redefinirse próximamente. “A nivel internacional hay una presión para mudarnos hacia fronteras de transiciones ópticas. Tener relojes ópticos”, dijo Ramírez Martínez.

Es gracias a que sabemos todo el conocimiento físico que hay detrás de cada uno de los cambios de las unidades del SI, que los investigadores consideran que se trata de un gran avance científico.

“La redefinición del SI es el resultado de nuestra capacidad de medir con altísimas precisiones. En 110 años hemos aumentado 6 o 7 órdenes de magnitud de precisión. Comparado con las precisiones que hemos tenido en el resto de la historia de la humanidad, es exponencial”, destacó Víctor Manual Romero Rochín, investigador del IF.

El cambio exponencial que traerá esta redefinición para la ciencia y la tecnología, y aunque aparentemente no modificará nuestra vida diaria en este momento, el tiempo mostrará el impacto que podría alcanzar en muchos ámbitos de la vida moderna en el futuro.