La belleza atómica del nuevo y mejorado kilogramo

Por Faye Flam

Esta semana el kilogramo recibió una nueva definición, una que se basa en una cantidad de luz. El viejo kilogramo se definía a través de un cilindro de platino guardado en una bóveda en París y a primera vista ese sistema podía parecer más intuitivo, pero era rudimentario y propenso al error. La nueva definición aprovecha la elegancia del universo.

No todos explican el nuevo kilogramo como una cantidad de luz, pero el físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts Wolfgang Ketterle ofrece el argumento convincente de que esta es la mejor y más simple manera de entender el tema. Ketterle, que compartió el Premio Nobel de 2001 al crear un estado de materia llamado condensado de Bose-Einstein, señaló que estaba preocupado porque algunas otras explicaciones ofrecidas sobre el nuevo kilogramo llevaban a la gente a creer que los físicos estaban complicando las cosas más de lo necesario.

Algunos físicos explican que el nuevo kilogramo se define mediante una cantidad llamada la constante de Planck, pero para Ketterle es más intuitivo definir masa en términos de una cantidad de algo y en este caso, ese algo es la luz.

El nuevo kilogramo, explicó, equivale a la masa de un número de fotones - 1,4755214 x 10 ^ 40 - de una frecuencia particular. Sí, es un montón de fotones y se debe explicar cómo es que las leyes de la física permiten que la luz tenga masa, pero él afirma que es posible. De hecho lo logró, en una charla en el MIT a la cual no pude asistir, y repitió el proceso de manera muy gentil en una entrevista.

Primero, no obstante, ayuda a explicar por qué los científicos querrían cambiar la definición del kilogramo. La cambian para que puedan mantenerla igual, para que no sea sujeta a cambios.

El razonamiento es paralelo a una medida de 1983 tendiente a cambiar el metro de una definición basada en una barra de platino a otra basada en la velocidad de la luz. La gente solía medir la velocidad de la luz en metros por segundo usando valores fijos para un segundo y un metro.

Los segundos se podían definir perfectamente por las vibraciones de un reloj atómico. Los metros, sin embargo, se definían a través de un artefacto fabricado por los seres humanos.

Pero gracias a Einstein sabemos que la velocidad de la luz es una constante fundamental de la naturaleza. Así que los científicos cambiaron las cosas y definieron la velocidad de la luz como una constante fija - exactamente 299,792.458 metros por segundo - y la usaron para definir el metro como la distancia que recorre la luz en 1/299,792.458 de segundo. Suena circular, pero elimina la necesidad de una barra de platino.

Eso dejó solo una unidad científica de características físicas básicas basada en un objeto creado: el kilogramo. Hasta ahora todas las básculas se calibraban como copias de un cilindro de aleación de platino, creado en 1879 y conocido como el Prototipo Internacional del Kilogramo o la Gran K. 

Debido a que todos los objetos físicos, sin importar cuánto se mimen, perderán o sumarán unos cuantos átomos de sus alrededores, seguían surgiendo discrepancias entre la Gran K y sus diversas copias. Por un momento no se sabía si las copias habían subido de peso o la original pesaba menos.

En un artículo publicado el año pasado en la revista The New Yorker, el autor se pregunta brevemente por qué los científicos no pesaban la Gran K para mantener su precisión. Como uno de los científicos le explicó, todas las básculas se calibran en relación con la Gran K, así que si el mismo cilindro no pesa un kilogramo, eso significa que la báscula no funciona correctamente. No hay un kilogramo ideal platónico o no lo había, hasta ahora.

El mundo de las partículas subatómicas es platónico. Todos los electrones, protones, neutrones y fotones tienen masas y otras propiedades perfectamente uniformes. No envejecen ni se abollan o resultan rasgadas y sí, las partículas de luz - fotones - pueden tener masa bajo ciertas circunstancias, como explica Ketterle.

La luz no tiene masa cuando viaja a la velocidad de la luz, indicó, pero se pueden encerrar fotones en una suerte de caja de espejos, para que reboten pero tengan una velocidad promedio de cero en relación con la caja. En ese caso, los fotones sí tienen una masa predecible. La caja con fotones tendrá una mayor masa que sin ellos.

Aún así, conectar nuestras útiles herramientas de medición a cantidades subatómicas es más fácil en la teoría que en la práctica. Hace más de un siglo, el fundador de la mecánica cuántica, Max Planck, se dio cuenta de que se podía lograr, al menos en teoría.

Planck había descubierto una de las conexiones fundamentales que lo harían posible, expresadas ahora a través de una constante que lleva su nombre: la energía de un fotón equivale a su frecuencia multiplicada por la constante de Planck.

Del mismo modo en que los científicos tuvieron que asignar un número fijo a la velocidad de la luz a fin de definir el metro sin la barra de platino, el lunes le dieron un valor fijo a la constante de Planck para terminar con el kilogramo mutable. Hay dos tipos de dispositivos que se pueden usar para medir con precisión la constante de Planck y ambos se pueden utilizar para medir el kilogramo ahora que la constante de Planck es fija.

Uno de ellos, la balanza de Kibble, puede medir el kilogramo o la constante de Planck al equilibrar el peso contra fuerzas electromagnéticas. El otro aparato usa una esfera de tamaño medido con exactitud, de forma tan precisa que los científicos pueden aproximar la cantidad de átomos que contiene.

La ahora universal y permanente definición del kilogramo permitirá mediciones mucho más precisas en el futuro, aunque los científicos no están seguros sobre lo que aquello conllevará. El cambio parecía inevitable porque se volvió posible y aprovecha parte de la perfección y predictibilidad del mundo a escala atómica para hacer nuestro mundo a escala humana más elegante.