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domingo, 2 de julio de 2017

Medir un kilogramo con la mayor precisión

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El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos se ha puesto a revisar los pedacitos ridículamente pequeños de los quanta a fin de que podamos refinar nuestras mediciones del Universo.

Patrón de kilogramo. Greg L / Wikimedia Commons
Esta vez, ha llegado de la mano de nuestro valor más preciso, la constante de Planck, un número que ayudará al Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología a revisar su definición oficial del kilogramo el próximo año.

Según parece los nuevos ajustes debían de estar antes del 1 de julio, y el NIST lo ha conseguido justo a tiempo. Para llegar a ello, el NIST actualizó la medida de la constante de Planck a 6.626069934 x 10^−34 kg∙m2/s, reemplazando la antigua 6.62607004 x 10^−34 kg·m2/s.

Los científicos utilizaron una avanzada máquina llamada Kibble balance para determinar esta cifra, con una incertidumbre de apenas 13 partes por mil millones. Eso supera la última medición del NIST, que tenía una incertidumbre de 34 partes por mil millones.

Entonces, ¿qué es eso de la constante de Planck, y por qué habría de preocuparnos?

El número obtuvo su nombre de Max Planck, el físico al que podemos agradecer su participación en la irrupción hace un siglo de la teoría cuántica. Mientras que la mecánica cuántica es a menudo conocida por experimentos mentales de un gato en una caja, a la vez vivo y muerto, y de partículas raras que se comunican entre sí a largas distancias, en el fondo no se trata de otra cosa que de cuantificación de energía.

En otras palabras, la transferencia de energía no se comporta como una corriente de agua, más bien se parece a la arena, donde el movimiento se mide en granos o, dicho de otra manera, se establecen pequeñas cantidades llamadas quanta.

Planck resolvió esto a través de sus mediciones de la radiación de calor emitida por la vibración de los átomos y determinó que las frecuencias de las ondas todas eran múltiplos de una cifra básica que llamó h. Podrías tener h, 2h ó 3h, pero no la mitad de uno, dándonos así la visión de 'granos' de energía.

Ahora, h que se llama constante de Planck, y puede ser multiplicada por la frecuencia de una onda para determinar su energía total.

Dado que Einstein demostró que la energía y la masa eran, más o menos, las dos caras de la misma moneda, la constante de Planck también puede usarse para describir la masa de un objeto. En el pasado, una unidad era la justa comparación de una cierta longitud o del peso encontrados comúnmente en la naturaleza. Pero, tal como hemos ido necesitando más precisión en nuestras mediciones, hemos tenido que encontrar mediciones universales más finas y consistentes para estandarizar nuestras unidades de longitud y masa.

Los segundos se basan en el tiempo que tarda un átomo en moverse de un lado a otro bajo ciertas condiciones, y un metro ahora se basa en la distancia que recorre la luz en el vacío durante una fracción de ese segundo.

Durante mucho tiempo, el kilogramo se comparó con una sola referencia: Le Grand K. Un cilindro de platino e iridio que se mantenía en una bóveda en París y esa era la referencia comparativa de los kilogramos del mundo.

Sin embargo, los átomos pueden desprenderse de vez en cuando, haciendo que esta referencia sea inconsistente con el tiempo. Una forma de estandarizar el kilogramo es declarar que es igual a un número específico de átomos de un elemento en particular.

En 2011, el Comité Internacional de Pesos y Medidas acordó formalmente que no hay nada más consistente que la constante de Planck, por lo que determinaron una definición matemática basada en una medida de dicha constante la cual debería convertirse en el nuevo kilogramo.


Ian Robinson en el Kibble balance. Imagen de NPL.co.uk.
Si bien la constante no cambia, con instrumentos más avanzados mejoramos nuestra precisión.

El Kibble balance usado por el NIST es básicamente un peso en un brazo con una bobina de alambre dentro de un campo magnético. Al pasar una corriente a través de la bobina se produce otro campo magnético que empuja contra la masa. Las mediciones de la corriente y del movimiento del brazo, con y sin el peso, para lo cual se usan ecuaciones especiales, es lo que da a los investigadores la constante de Planck.

El NIST llegó a esta nueva constante no con un mejor balance, sino mediante el uso de una mayor reserva de resultados y una mejor comprensión de las propiedades del campo magnético del dispositivo.
"Necesitábamos tres experimentos con incertidumbres por debajo de las 50 partes por mil millones y uno por debajo de las 20 partes por mil millones, pero ahora tenemos tres por debajo de las 20 partes por mil millones", señalaba el líder del equipo, Stephan Schlamminger.
Con estos novedosos números, el NIST espera mejorar la definición actual del kilogramo cuando CODATA tome en cuenta todas las investigaciones en su recomendación para un nuevo estándar, en noviembre del próximo año.


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Traducido/editado por Pedro Donaire
Ref. Science Alert.com, 1 julio 2017
Autor: Mike McRae .“How We Measure a Kilogram Is About to Be Even More Accurate”
Publicación presentada en el journal Metrologia.

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