Cuarenta pies bajo tierra en Gaithersburg, Maryland, en un laboratorio blanco brillante que requiere tres llaves separadas para ingresar, los Estados Unidos almacenan una preciosa colección de pequeños cilindros de metal brillante que literalmente definen la masa de todo en este país.

Son hermosos, con acabados de espejo, y tengo que resistir la necesidad de tocarlos. Si los toco, podría contaminarlos con aceite de mi piel y potencialmente aumentar su peso. Patrick Abbott, el» guardián del kilogramo » aquí en los Institutos Nacionales de Estándares y Tecnología (NIST), me dice que esto sería muy malo.

Actualmente, el kilogramo tiene una definición muy simple: Es la masa de un trozo de aleación de platino e iridio que se encuentra en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sèvres, Francia, desde 1889. Se llama el Kilogramo Prototipo Internacional (a.k.a. Big K, o Le Grand K), y tiene muchas copias en todo el mundo, incluidas siete en el NIST en Gaithersburg, que se utilizan para calibrar balanzas y asegurarse de que todo el mundo esté en un solo sistema de medición.

Aquí está una de las copias del NIST, llamada K4, forjada a partir de la misma pieza de metal a partir de la cual se creó Big K en el siglo XIX.

Míralo bien. Porque muy pronto, este estándar de 129 años para el kilogramo cambiará.

El viernes, científicos de todo el mundo se reunieron en la Conferencia General de Pesos y Medidas en Versalles, Francia, y votaron a favor de cambiar la definición de un kilogramo, vinculándolo a una constante de naturaleza universal. El cambio entrará en vigor el 20 de mayo de 2019.

Una razón importante para el cambio es que Big K no es constante. Ha perdido alrededor de 50 microgramos (aproximadamente la masa de una pestaña) desde que se creó. Pero, frustrantemente, cuando Big K pierde masa, sigue siendo exactamente un kilogramo, según la definición actual.

Cuando Big K cambia, todo lo demás tiene que ajustarse. O peor aún: Si se robara Big K, el sistema de medición de masa de nuestro mundo se vería sumido en el caos.

Con la votación del viernes, los mejores científicos de medición del mundo optaron por fijar el kilogramo a la constante de Planck, un concepto fundamental en la mecánica cuántica que nunca puede cambiar, aquí en la Tierra o en las profundidades del universo.

Esto es más que una victoria científica. También es filosófico, como aprendí de los científicos del NIST que han estado trabajando durante años en la redefinición y llaman a este momento el momento más emocionante de toda su carrera.

Con la nueva definición, la Asociación General de Pesos y Medidas completa el sueño original del sistema métrico, que se abrazó en medio de la Revolución Francesa. El sistema métrico, que se convirtió en el Sistema Internacional de Unidades, o SI, fue diseñado para ser » para todos los tiempos, para todas las personas.»

«Los objetos siempre cambian», dice Stephan Schlamminger, un científico del NIST involucrado en la redefinición. Con la nueva definición, dice, «pasamos de un objeto» en la Tierra » a lo que está en los cielos.»

Y eso es algo que vale la pena celebrar. En un mundo donde todo siempre parece estar en constante cambio, estos científicos se han asegurado de que el kilogramo nunca cambie.

Una breve historia del kilogramo

¿Cómo sabes lo que pesa algo? Lo sé, hay una respuesta obvia: lo pones en una balanza.

Pero cuando vas a una tienda de comestibles y pesas un paquete de manzanas, ¿cómo sabe esa balanza lo que se siente una libra de fruta?

Para que las mediciones de masa tengan sentido, necesitamos un punto fijo de comparación. Esas manzanas necesitan pesar más o menos que algo. Para evitar el caos y permitir que nuestra economía funcione, ese algo tiene que ser reconocido universalmente.

La báscula en su tienda de comestibles se calibró con un peso que se calibró con un peso que se calibró con un peso, y así sucesivamente. Y todas esas calibraciones se remontan a aquí, en las entrañas del NIST. Los pesos y medidas consistentes son importantes para algo más que comestibles: Imagínese si Boeing no pudiera averiguar con precisión qué pesa un avión, o si la industria farmacéutica no pudiera determinar la masa exacta de una pequeña dosis de medicamento potencialmente letal.

En los Estados Unidos, todavía usamos unidades imperiales: libras y onzas. Pero en realidad, todas nuestras mediciones se derivan del Sistema Internacional de Unidades, o SI, que utiliza metros y kilogramos como las unidades fundamentales de longitud y masa.

Cuando se trata de masa en los EE.UU., todo se remonta a estos cilindros en forma de disco, que se mecanizan con precisión para pesar 1 kilogramo. Oficialmente, en los Estados Unidos, 1 libra se define como 0.45359237 kilogramos. Un pie se define como 0.3048 metros.

Pero el sistema no siempre fue tan ordenado. Antes de la Revolución francesa y de la invención del sistema métrico, los sistemas de pesos y medidas en todo el mundo eran un desastre caótico e indisciplinado.

«Imagine un mundo en el que cada vez que viajaba tenía que usar diferentes conversiones para las mediciones, al igual que nosotros para la moneda», explica Madhvi Ramani de la BBC. «Este era el caso antes de la Revolución Francesa a finales del siglo XVIII, donde los pesos y medidas variaban no solo de una nación a otra, sino también dentro de las naciones.»

La Revolución francesa estaba a punto de derribar viejas, arcaicas y caóticas jerarquías que quedaron de la era feudal y rehacer la sociedad con principios igualitarios en mente.

Inspirados por la revolución, los científicos de la época querían comenzar de nuevo con un sistema de medición nuevo y consistente, basando las unidades no en mandatos arbitrarios de reyes, sino en la naturaleza. El objetivo era crear un sistema de medición » para todos los tiempos, para todas las personas.»

Así, cuando se fundó la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Francia a finales de 1800, el metro, la unidad estándar de longitud, se creó para ser una diezmillonésima parte de la distancia desde el Polo Norte hasta el ecuador. El gramo se inspira en la densidad del agua: es aproximadamente igual a la masa de 1 centímetro cúbico de agua a 4°C.

Para difundir estas nuevas unidades, para asegurarse de que todos en el mundo las entendieran, los inventores del sistema métrico decidieron crear objetos físicos para encarnarlos y definirlos. Crearon una barra de metal de exactamente 1 metro de largo. Crearon Big K para representar la masa de 1 kilogramo, o 1.000 gramos.

Desde el siglo XIX, todas las reliquias físicas del antiguo sistema métrico han sido reemplazadas por medidas fijadas a fuerzas constantes de la naturaleza. El medidor se definió originalmente como una proporción del tamaño de la Tierra. Pero incluso la forma del mundo no es permanente. Diablos, la Tierra podría no ser permanente. Así que hoy en día, el medidor se define por la velocidad de la luz. El segundo se fija al movimiento de los átomos del elemento cesio.

Solo el kilogramo sigue definido por un objeto físico, por ahora.

Entonces, ¿cuál es esta nueva definición del kilogramo? Prepárate, porque es un poco extraordinario.

La ciencia de redefinir el kilogramo en términos de la constante de Planck, explicó

La votación del viernes en la Conferencia General de Pesos y Medidas fue aprobada por unanimidad. Pero los cambios no entrarán en vigor hasta mayo de 2019. Cuando llegue el cambio, así se definirá el kilogramo en el Sistema Internacional de Unidades:

El kilogramo, símbolo kg, es la unidad de masa del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Planck h como 6,626 070 15 × 10-34 cuando se expresa en la unidad J s, que es igual a kg m2 s -1 , donde el medidor y el segundo se definen en términos de c y v vCs.

¿Qué diablos?

Es mucho más difícil de explicar que un trozo de metal en Francia. Pero intentémoslo.

Básicamente, la Asociación General de Pesos y Medidas fijará el valor de la constante de Planck, que describe cómo los bits más pequeños de materia liberan energía en pasos discretos o trozos (llamados cuantos).

Con la votación del viernes, la constante de Planck se establecerá ahora y para siempre como 6.62607015 × 10-34 m2 kg / s. Y a partir de este valor fijo de la constante de Planck, los científicos pueden derivar la masa de un kilogramo.

Este esfuerzo de redefinición ha llevado décadas porque la constante de Planck es pequeña (comienza con un punto decimal y es seguida por 33 ceros) y tuvo que calcularse hasta un margen de error súper pequeño. El trabajo requirió mediciones cuidadosas con una máquina increíblemente complicada llamada Balanza de Croquetas (más sobre eso a continuación), así como observaciones de una esfera extremadamente redonda de silicio.

Esa explicación puede parecer torcida. Y lo es. Pero para apreciarlo mejor, es útil ver cómo el medidor, la unidad de longitud estándar del mundo, se redefinió en términos de velocidad de la luz como un ejemplo de por qué era necesario.

El medidor se definió originalmente como la longitud de una barra en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Francia. (Luego se redefinió para ser igual a una cierta longitud de onda de radiación. Una vez más, el problema con esta definición era su imprecisión. No se basaba en propiedades inmutables del universo.

La velocidad de la luz, por otro lado, es de 299.792.458 metros por segundo. No importa dónde se encuentre, creen los científicos, sigue igual. (Al menos, si cambia, eso arruinaría casi todo lo que sabemos sobre física.)

Para 1983, los físicos se habían vuelto realmente buenos midiendo la velocidad de la luz. Así que lo usaron para fijar la longitud del medidor para siempre, para hacerlo permanente. He aquí cómo: Redefinieron el medidor para que sea igual a la distancia que la luz viaja en el vacío en 1/299,792,458 de segundo. Esencialmente, la definición del medidor ahora se integra en la definición de la velocidad de la luz.

Hay una poesía en esto: Los científicos tomaron el medidor, una medida de longitud arbitraria inventada por los humanos, y lo colocaron en una constante universal. Nuestras desordenadas medidas humanas han trascendido su desordenada humanidad; se han fusionado con una verdad eterna.

El nuevo medidor definido por la luz tiene la misma longitud que el antiguo medidor estándar de París. Pero a diferencia del antiguo estándar en París, ahora la definición del medidor nunca puede cambiar.

Lo mismo sucede con la constante de Planck. Al igual que la velocidad de la luz, la constante de Planck es una verdad universal que nunca cambiará.

Al establecer un valor final de la constante de Planck, cuyas unidades incluyen el kilogramo, al igual que las unidades de la velocidad de la luz incluyen el medidor, el tamaño de un kilogramo es estable para siempre. También puedes pensarlo así: El kilogramo ha sido anclado a la constante de Planck, donde descansará, para siempre.

(Tal vez si has estado leyendo de cerca, te has dado cuenta de que hay un pequeño problema de pollo y huevo aquí. ¿Cómo se busca definir un medidor en términos de la velocidad de la luz si sus mediciones de la velocidad de la luz también contienen la unidad «medidor»? Es lo mismo para la constante de Planck: contiene kilogramos en sus unidades. Respuesta corta: Es por eso que las personas que trabajan en estos problemas tienen doctorados.)

La balanza de croquetas es la máquina que hace todo esto posible

Redefinir el kilogramo en términos de la Planck ha sido un desafío inmenso, que ha llevado décadas completarse.

Para empezar, los científicos tenían que ser capaces de medir la constante de Planck en un grado extremadamente preciso. Si nuestra estimación de la velocidad de la luz tuviera un gran margen de error, no sería un ancla confiable para medir un metro. Lo mismo ocurre con el Planck.

Durante décadas, los científicos del NIST, así como algunos otros laboratorios de todo el mundo, han estado utilizando una máquina llamada Balanza de Croquetas (a veces conocida como balanza de vatios) para medir con precisión la constante de Planck a un grado lo suficientemente cuidadoso como para poder usarla para redefinir el kilogramo.

Al igual que los estándares de kilogramos, la balanza de croquetas se encuentra bajo tierra en el NIST. Está construido sobre un piso de concreto que literalmente puede flotar por encima de los cimientos del edificio para aislar mejor su equipo sensible de cualquier vibración del resto de la instalación. Tengo que usar una red de plástico sobre el pelo y los zapatos para ir a verla porque cualquier pedazo de escombros podría sacarla de calibración.

Si los victorianos hubieran construido una máquina del tiempo y la hubieran aparcado en una cervecería, me imagino que se vería algo como esto.

La balanza de croquetas funciona como un simple equilibrio de masas. Imagínese a la Dama Justicia que sostiene en su mano: Tiene dos sartenes que se equilibran en un punto central. Una balanza simple compara dos pesos en cada una de las bandejas, con el objetivo de equipararlas.

La balanza de croquetas, llamada así en honor a su último inventor, el físico británico Bryan Kibble, hace algo similar, pero con un giro mecánico cuántico. Equipara la energía mecánica ejercida por la masa de un objeto con una cantidad equivalente de energía eléctrica.

La fórmula que produce la balanza de croquetas para igualar la masa y la potencia eléctrica es complicada. (Los científicos del NIST me llevaron a la pizarra que se muestra a continuación para explicarlo.)

Lo importante es que en esa ecuación, entre todas las variables en juego, que incluyen masa, velocidad, atracción gravitacional, magnetismo y electricidad, se encuentra la constante de Planck. Y usando esta máquina, los científicos fueron capaces de resolver para Planck. Las matemáticas funcionan porque, como nos enseñó Albert Einstein con su ecuación más famosa E = mc2, masa y energía son esencialmente expresiones diferentes de la misma cosa.

Ahora podrías estar pensando: ¿Qué hace la balanza de Croquetas ahora que ha definido la constante de Planck?

Bueno, reemplaza la necesidad de Big K en Francia porque ahora conoce la masa de un kilogramo en términos de la constante de Planck. Y esa será una medición precisa, una forma de seguir asegurando que un kilogramo sigue siendo un kilogramo, que se puede usar para pesar objetos y determinar su masa de acuerdo con el nuevo estándar.

«En este momento, nuestra garantía de calidad sobre la estabilidad de se basa en un acuerdo», dice Abbott. «Decimos que no va a cambiar. Nuestra garantía de calidad en la balanza de croquetas es que se basa en una constante de la naturaleza que ha sido medida, rigurosamente, por todo el mundo. y sabemos que no cambia. Es la diferencia del mundo.»

La democratización de pesos y medidas está en marcha

¿Todavía conmigo?

Si lo pasamos por alto, aquí está a qué se reduce todo este cambio: Ya no necesitaremos un gobierno — Estados Unidos, Francia, quien sea — o un organismo de gobierno internacional que nos diga qué es un kilogramo. Será una verdad fundamental del universo, disponible para cualquiera con el equipo adecuado para realizarla.

En teoría, cualquiera puede construir un equilibrio de croquetas. (Me han dicho que hay miniaturizados en el camino.»Pueden construir este experimento, y pueden medir cualquier masa que quieran, cualquier material, simplemente ponlo en la balanza y obtienes el valor de la masa, absoluta, en términos de la constante de Planck», dice Darine El Haddad, quien dirige el experimento de equilibrio de croquetas en el NIST. La balanza de croquetas permite una «medición absoluta», dice.

En el futuro, la industria manufacturera no tendrá que enviar sus pesas y básculas al NIST para su calibración. Podrían tener una balanza de croquetas en el piso de su fábrica. En ese sentido, la nueva definición es más democrática, una que se puede usar libremente en todo el mundo y no se puede mantener encerrada en un caso en Francia.

Sin embargo, hay algunos grandes inconvenientes en el cambio. «La gente ni siquiera entiende el sistema métrico», dice Abbott. «¿Cómo vas a explicar una balanza de croquetas?»La complejidad de la definición puede ser un desvío para las personas que quieren aprender sobre ciencia. Un niño de escuela primaria puede entender que un trozo de metal pesa un kilogramo, ¿pero mecánica cuántica?

Schlamminger argumenta que, si bien la nueva definición es más complicada técnicamente, » filosóficamente, es más simple.»El kilogramo pronto será definido por la física fundamental del universo, no por una maquinación humana.

Schlamminger tiene las palabras fundacionales del sistema métrico, «para todos los tiempos, para todas las personas», tatuadas en su brazo, junto a los dígitos de la constante de Planck. Así de fuerte cree en el ideal. Él ve este trabajo como » terminar el arco que comenzó con la Revolución Francesa.»Y está completo: Con la votación del viernes, el kilogramo es ahora para siempre, para todos los tiempos y para todas las personas.