El día en que el kilogramo dejó de ser un objeto

Durante buena parte de la historia del sistema métrico, las unidades se definieron por artefactos: objetos físicos que encarnaban la medida y con los cuales se comparaba todo lo demás. El metro fue una barra. El kilogramo fue un cilindro. La lógica era razonable en 1889, cuando no existía ninguna manera más estable de fijar un patrón.

El inconveniente de un artefacto es que es un objeto, y los objetos participan del mundo. Se rayan, absorben contaminantes de la atmósfera, pierden material cuando se los limpia. Un patrón que cambia es una contradicción en los términos, pero mientras no exista nada mejor con qué compararlo, el cambio es literalmente indetectable: por definición, el prototipo pesa exactamente un kilogramo, incluso si ayer pesaba otra cosa.

El cilindro y sus copias

El Prototipo Internacional del Kilogramo era un cilindro de unos 39 milímetros de alto, hecho con una aleación de 90% platino y 10% iridio, elegida por su densidad, su dureza y su resistencia a la oxidación. Se conservaba en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, en Sèvres, dentro de una caja fuerte que requería tres llaves distintas en manos de tres custodios diferentes.

Junto con él se fabricaron decenas de copias oficiales, repartidas entre los países firmantes de la Convención del Metro. Periódicamente, esas copias regresaban a Sèvres para compararse con el original. Fue en esas verificaciones donde apareció el problema.

Cincuenta microgramos sobre un kilogramo son cinco partes en cien millones. Para pesar mercadería es irrelevante. Para la química de precisión, la farmacología, la fabricación de semiconductores o cualquier medición que dependa en cadena de la unidad de masa, es un problema serio y creciente.

Reemplazar el objeto por una constante

La salida ya se había ensayado con otras unidades. El metro dejó de ser una barra en 1960 y desde 1983 se define a partir de la velocidad de la luz: el metro es la distancia que recorre la luz en el vacío durante 1/299.792.458 de segundo. La velocidad de la luz no se mide, se fija por convención, y el metro pasa a ser una consecuencia.

El mismo procedimiento se aplicó a la masa. Desde el 20 de mayo de 2019, el kilogramo se define fijando el valor numérico de la constante de Planck en 6,62607015 × 10⁻³⁴ julios por segundo. La constante de Planck relaciona la energía de un fotón con su frecuencia, y a través de la equivalencia entre masa y energía puede vincularse con la masa. La definición es abstracta, pero tiene una propiedad decisiva: no depende de ningún objeto. Cualquier laboratorio suficientemente equipado, en cualquier lugar y en cualquier momento, puede reconstruir el kilogramo desde cero.

La balanza de Kibble

Para que la definición sea útil hace falta un instrumento que la materialice. El principal es la balanza de Kibble, ideada por el físico británico Bryan Kibble en 1975 y perfeccionada durante cuatro décadas.

Su funcionamiento tiene dos fases. En la primera, una bobina suspendida en un campo magnético sostiene la masa que se quiere medir: la corriente necesaria para equilibrar el peso da una relación entre fuerza eléctrica y fuerza gravitatoria. En la segunda, la misma bobina se mueve a velocidad constante dentro del mismo campo, y la tensión inducida permite calibrar los parámetros del sistema sin conocerlos por separado. Combinando ambas fases, la masa queda expresada en términos de magnitudes eléctricas, que a su vez se miden mediante efectos cuánticos —el efecto Josephson y el efecto Hall cuántico— cuya precisión depende, precisamente, de la constante de Planck.

El resultado es un aparato del tamaño de una habitación, que necesita vacío, blindaje magnético, control de temperatura y una medición local de la aceleración de gravedad, todo para hacer lo que antes hacía un cilindro apoyado en un platillo.

Qué cambió para el resto del mundo

Nada perceptible, y eso era el objetivo. La redefinición se diseñó expresamente para que el nuevo kilogramo coincidiera con el antiguo dentro de la incertidumbre de las mejores mediciones disponibles. Ninguna balanza comercial tuvo que recalibrarse.

Lo que cambió es la naturaleza del sistema. Desde 2019, las siete unidades base del Sistema Internacional se definen a partir de constantes de la naturaleza fijadas por convención. Ya no hay ningún objeto privilegiado en ninguna parte. El prototipo de Sèvres sigue en su caja fuerte, pero ahora es una pieza de museo: un objeto que pesa aproximadamente un kilogramo, como cualquier otro.

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