El viejo kilogramo
Una historia francesa y revolucionaria
La Convención del Metro o Tratado del Metro es un tratado internacional firmado el 20 de mayo de 1875 en París por diecisiete estados, con el fin de establecer una autoridad mundial en la metrología. Fue la sucesora de la Comisión Internacional del Metro creada en 1870.
Aunque el sistema métrico decimal había sido propugnado por los científicos desde sus orígenes, por sus aplicaciones a la ciencia, la convención tenía unos intereses más prosaicos, como la industria y el comercio, por eso, inicialmente la competencia de la Conferencia General se circunscribía a las unidades de peso y longitud, pero en la 6.ª Conferencia General (1921) fue revisado y su ámbito de competencias ampliado a todas las medidas físicas. En 1960 el sistema de unidades establecido desde 1921 fue renombrado como «Sistema Internacional de Unidades» en la 11.ª Conferencia General.
1ª cuestión
¿Qué famoso científico francés participó en esta comisión, en tiempos de Luis XVI?
En 1774, nuestro científico realizó un experimento calentando un recipiente de vidrio cerrado que contenía una muestra de estaño y aire. Encontró que la masa antes del calentamiento (recipiente de vidrio + estaño + aire) y después del calentamiento (recipiente de vidrio + “estaño calentado” + el resto de aire), era la misma.
Mediante experimentos posteriores demostró que el producto de la reacción, estaño calentado (óxido de estaño), consistía en el estaño original junto con parte del aire. Experimentos como este demostraron que el oxígeno del aire es esencial para la combustión.
2ª cuestión
¿Qué principio físico enunció este científico francés?
En 1771, con 28 años, nuestro insigne científico se casó con Marie-Anne Pierrette Paulze, hija de un copropietario de la Ferme générale, la concesión gubernamental para la recaudación de impuestos en la que también él participaba.
3ª cuestión
¿Qué funestas consecuencias tuvo para el citado científico, el 8 de mayo de 1794, el hecho de formar parte de la Ferme générale?
En la noche del 4 de agosto de 1789, el futuro club de los jacobinos votó en sesión de la Asamblea Constituyente la abolición de los privilegios feudales, los privilegios de clase, los corporativos o la mayoría de los privilegios del antiguo régimen. El privilegio de calibración que se le otorgaba al Rey y que formó la base de la multiplicidad de unidades de peso y medida también se eliminó a propuesta del Obispo Talleyrand.
4ª cuestión
¿Cual fue la primera definición de kilogramo, decidida durante la Revolución francesa, y que implicaba un cierto uso del agua?
La ley de 18 Germinal, que establecía la nomenclatura del nuevo sistema de pesos y medidas, eliminaba y prohibía cualquier otra unidad de medida y preveía la propagación del uso del kilogramo mediante la construcción de unidades de medida (pesas) modeladas a imagen y semejanza del patrón de referencia, guardado en los "Archives de France". Este patrón del kilogramo quedó definido por la ley de 19 de Frimaire, año VIII (10 de diciembre de 1799).
Posteriormente se construyeron en París 16 kilogramos patrones de mármol, para crear conciencia sobre esta nueva medida, ahora obligatoria. Gradualmente, los kilogramos patrón de cobre, modelados sobre la base del kilogramo patrón depositado en los "Archives de France", se diseminaron por todos los departamentos de la república francesa. Su exactitud se confirma con un sello de la República y se realizan controles periódicos, para evitar el deterioro accidental y el fraude.
El 22 de junio de 1799 se deposita en los "Archives de France" un kilogramo patrón metálico, construido por Fortin. El 10 de diciembre de 1799, este kilogramo patrón se ratifica oficialmente como "kilogramo de los Archivos" y el kilogramo se define como igual a su masa.
5ª cuestión
¿De que material está construido el kilogramo patrón de 1799?
Desde 1889 hasta el otoño de 2018, el SI define que la unidad de masa debe ser igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo (IPK, por sus siglas en inglés). Dicho prototipo se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, ubicada en Sèvres, en las cercanías de París. En el momento de su creación se se hicieron seis copias repartidas por todo el mundo. Posteriormente se realizaron varias copias oficiales del prototipo del kilogramo, disponibles como prototipos nacionales, que se comparan al prototipo de París («le Grand Kilo») cada 40 años. Este prototipo internacional es uno de los tres cilindros hechos originalmente en 1879.
6ª cuestión
¿De qué material está hecho y qué medidas tiene el kilogramo patrón de 1889?
El día 15 de abril de este mismo año naufragó un barco de vapor de la naviera "The Pacific Steam-Ship Navigation Company". La noticia apareció en la revista "La ilustración española y americana" del 30 de junio de 1889.
7ª cuestión
¿Cual era el nombre del barco y en que lugar y circunstancias tuvo lugar el siniestro?
El día 30 de mayo de aquel mismo año se produjo un fatal accidente en un lago artificial en Estados Unidos. La noticia apareció en el mismo número de la revista "La ilustración española y americana" del 30 de junio de 1889.
8ª cuestión
¿Cual era el nombre del lago y de los pueblos que arrasó? ¿Cual fue el número total de muertos provocados por las aguas desbordadas?
Entre el 6 de mayo y el 31 de octubre de 1889 tuvo lugar en París, coincidiendo con el centenario de la toma de la Bastilla, una Exposición Universal. En el apartado correspondiente a la industria del petroleo, Henry Deutsch de la Meurthe, mostraba imágenes de sus instalaciones de extracción, transporte y refinado.En España la empresa de este industrial francés disponía de cuatro refinerías. La información sobre esta exposición se documentaba en el número del 30 de noviembre de 1889 de la revista "Le génie civile".
9ª cuestión
¿En que ciudades españolas se encontraban estas cuatro refinerías?
10ª cuestión
¿Que monumento significativo de París se inauguró en aquella Exposición Internacional?
El prototipo internacional del kilogramo patrón de 1899 se guarda en un sótano del Pabellón Breteuil, en Sèvres, cerca de París, en una sala dedicada a la limpieza, protegido por tres campanas de cristal en una caja fuerte. Para abrir la caja se necesitan tres llaves, custodiadas por tres funcionarios que deben estar presentes simultáneamente. El acceso a la sala requiere un permiso especial. Una vez al año, la caja fuerte se abre para verificar visualmente el estado del IPK. En 2014, el gran K incluso salió de su guarida para quedarse en los laboratorios del BIPM, en donde se le hicieron mediciones.
11ª cuestión
¿En que año ocupó el Pabellón Breteuil la Oficina Internacional de Pesos y Medidas?
Los científicos alertaron hace algunos años de que el kilogramo original, el gran referente para todas las mediciones de masa, había cambiado y pesaba menos de un kilo. Concretamente, unos 50 microgramos menos, el equivalente a un pequeño grano de arena, imperceptible para la vida cotidiana pero problemático para el mundo de la ciencia.
En la vida diaria también tiene su importancia. Los fabricantes de balanzas calibraban su balanza mediante pesas que, a su vez, habían sido calibradas con los testigos de un laboratorio que habían sido calibrados con otras que habían sido comparadas con la copia que se guarda en la sede de los distintos centros nacionales de metrología, y esta se había calibrado con el IPK. El cambio de artefactos por constantes universales invariables, como la velocidad de la luz, que además siempre van a ser iguales a lo largo del tiempo, mejora la precisión, puesto que las nuevas magnitudes recogen la incertidumbre cero de las constantes.
Por esta razón 130 años después se su implantación se iniciaron gestiones para realizar la definición de un patrón de kilogramo mediante leyes físicas. Se establecieron dos vías principales de investigación. La primera basada en fijar el valor del número de Avogadro, para luego materializar la unidad de masa con una esfera casi perfecta en su geometría y composición isotópica, cuyas características dimensionales se pueden conocer con gran exactitud. Específicamente, se determina el volumen ocupado por la esfera y cada uno de sus átomos, y finalmente, con el número de Avogadro, se determina la masa.
12ª cuestión
¿De que material se han construido estas esferas?
La otra alternativa consiste en fijar el valor de la carga del electrón o el de la constante de Planck, y luego mediante mediciones eléctricas se materializa el kilogramo utilizando un tipo de balanza especial. Varios institutos nacionales de metrología trabajaron en la puesta a punto de un sistema de este tipo; por ejemplo, el desarrollado por Bryan Kibble del National Physical Laboratory británico. A principios de 2011, poco antes de la celebración de la 24.ª Conferencia General de Pesas y Medidas, se halló consenso en que el método que se utilizaría sería el de la constante de Planck, pero la decisión se aplazó, a la espera de una conclusión unánime de todos los laboratorios en lo referente a la reproducibilidad y exactitud de este método, ya que para ello es necesario disponer primero de varias balanzas operativas.
13ª cuestión
¿Qué nombre reciben este tipo de balanzas?
El Comité Internacional de Pesos y Medidas decidió el 16 de noviembre de 2018 que el estándar del peso se redefinirá en función de la constante de Planck. De esta manera, se podrán calibrar los distintos patrones del kilogramo repartidos por el mundo empleando una balanza de Watt y el nuevo valor de la constante. La constante de Planck pasará a ser definida como 6,62607015 × 10−34 kg⋅m2⋅s−1, quedando el kilogramo definido a partir de esta y, consecuentemente, a partir de otras dos magnitudes del SI, el segundo y el metro.
En la reunión el Comité Internacional de Pesos y Medidas revisó también otras unidades básicas como el amperio (unidad de corriente eléctrica), el mol (unidad de la cantidad de la materia) y el kelvin (una unidad de temperatura). Los cambios entrarán en vigor oficialmente el 20 de mayo de 2019.
14ª cuestión
¿Qué aportación a la física hizo famoso a Max Planck?
Mientras se acercaba al control de seguridad del Aeropuerto Internacional Dulles, en Washington, una tarde de abril de 2016, Jon Pratt se puso nervioso. En una bolsa de cámara fotográfica portaba cuatro cilindros sólidos de metal. Este tipo de objetos despertaría el recelo del precavido personal de la Administración de Seguridad en el Transporte, agencia perteneciente al Departamento de Seguridad Nacional de Estados Unidos. Cada cilindro pesaba exactamente un kilogramo. Uno de ellos, una reluciente aleación de platino e iridio del tamaño aproximado de la mitad de una lata de atún, valía al menos 40.000 dólares (el precio del platino actualmente ronda los 1000 dólares la onza troy, una unidad de masa usual en metales preciosos). Los otros tres estaban compuestos de acero inoxidable cuidadosamente procesado.
K20, el kilogramo nacional estadounidense, se calibra actualmente comparándolo con el Prototipo Internacional del Kilogramo guardado en París. Después de la redefinición, los metrólogos usarán la balanza NIST-4 en su lugar.
La misión de Pratt: entregarlos intactos y de forma segura a sus colegas en un barrio parisino.
Pratt portaba documentos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos para que le franquearan el paso a través del control de seguridad. Los documentos explicaban que transportaba cuatro kilogramos oficiales estadounidenses, las masas de referencia que sirven como base para todas las medidas de peso en el país, e informaban que los kilogramos no debían tocarse o extraerse de sus recipientes de protección.
El esbelto Pratt, con un pasado de rockero punk, dirige la División de Medidas Cuánticas del NIST en Gaithesburg, Maryland. «El funcionario de seguridad del transporte me puso algún inconveniente», declara. «Pero entonces revisó toda la documentación, y aquello se convirtió en la novedad que le alegró la jornada.» Después de unos minutos, Pratt fue autorizado a pasar y abordó el vuelo para un viaje de siete horas hasta París. Lo que presentaba otro dilema: ¿qué hacer con su valioso equipaje de mano si necesitaba levantarse? ¿Debía aferrarse a la bolsa durante todo el vuelo, como le habían aconsejado algunos colegas? «He de admitir que la dejé debajo del asiento de enfrente mientras iba al baño», afirma. «Así que brevemente estuvo fuera de mi vista y alguien pudo haber llegado y restregado las manos por todos los kilogramos.»
Ese manoseo habría estropeado muchos meses de cuidadoso trabajo dedicado a medir los kilogramos con una precisión de unas pocas partes por mil millones. Pratt llevaba los cilindros a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM, por sus siglas en francés), en Sèvres, a las afueras de París en la margen izquierda del Sena. Unos meses después, los metrólogos de esta institución los compararon con cilindros metálicos idénticos de otros tres países, así como con una esfera de un kilogramo de silicio de alta pureza fabricada en el laboratorio metrológico nacional de Alemania. Era el último paso para un cambio histórico en la forma de medir la masa en el mundo.
15ª cuestión
¿A qué se dedica el organismo norteamericano NIST?
16ª cuestión
¿Qué dos unidades de masa utilizan los países anglosajones?
A unos metros bajo tierra, en los sótanos del Centro Español de Metrología (CEM), una caja fuerte guarda un pequeño tesoro. Manuel Bautista es una de las pocas personas que conocen la combinación que permite abrir esta caja cada cuatro años para acceder a su contenido. Una detrás de la otra, y con mucho cuidado, este metrólogo del CEM a punto de jubilarse extrae las dos campanas de cristal con forma de quesera. En su interior hay dos pequeños objetos, dos cilindros de platino e iridio de apenas 39 mm de altura, que se conocen como K3 y K24, los dos patrones históricos del kilogramo que conserva España.
Los dos patrones son preciosos y brillantes, y su manipulación es tan delicada que el nerviosismo se palpa en la sala. "Llevo aquí toda la vida y solo los he visto fuera dos veces", asegura José Ángel Robles, director de la División Científica del CEM, que supervisa la operación y no puede ocultar su inquietud por que el patrón se dañe o se contamine. El más importante de los dos objetos es ahora el K24, que se eligió como patrón nacional en una fecha tan reciente como 1994.
Al comparar su evolución con el patrón de París, la masa del K24 era la que más se iba aproximando. "El kilogramo es la última unidad de medida que se basa en un artefacto material", explica Nieves Medina, jefa del área de Masa del CEM, mientras observa cómo extraen los dos patrones. A diferencia de las otras unidades del Sistema Internacional (SI), que se basan una constante de la naturaleza - procesos atómicos para el segundo, o la velocidad de la luz para el metro- , el kilogramo es la única unidad que sigue teniendo como referencia la masa de un objeto fabricado en 1881, el patrón en forma de cilindro custodiado en París. "El kilogramo original se conserva en Sèvres", continúa Medina, "y estas son las dos copias que se asignaron a España por sorteo en 1889".
En aquella fecha, el Comité Internacional de Pesas y Medidas ordenó construir 42 copias del Prototipo Internacional del Kilogramo para que cada país firmante de la Convención del Metro se quedara al menos con una. El general Ibáñez de Ibero, que presidía el órgano, entregó personalmente al comisionado español los dos patrones de masa y los dos patrones de longitud solicitados por España, por los que el Gobierno pagó la suma de 26.556 francos de la época. Los nuevos prototipos fueron conservados en sus propias cajas fuertes, diseñadas con las máximas exigencias para garantizar su inalterabilidad e iguales a las del patrón de París. En los años siguientes se guardaron en una de las salas del Instituto Geográfico y Estadístico habilitadas al efecto, y allí permanecieron durante décadas hasta que se incorporaron al CEM tras su inauguración en 1989.
Los técnicos usan las mismas pinzas que se usaban para coger el patrón en el s. XIX. Al estar fabricados en una aleación de platino iridiado, un material de gran densidad, los dos cilindros dan la sensación de ser demasiado pequeños para pesar un kilo. Para mantener la continuidad de las mediciones, Manuel Bautista los manipula con dos pequeñas tenazas almohadilladas, las mismas que se usaban hace cien años. "Se tiene en una campana de cristal y en contacto con el aire", apunta Medina, "porque si cambiáramos a condiciones de vacío, por ejemplo, la serie de mediciones anteriores ya no nos valdría y habría que introducir correcciones".
Los técnicos del centro se encuentran en pleno proceso de diseminación de los patrones de masa. Este proceso, que dura entre tres y cuatro meses, consiste en comparar el patrón nacional de masa (K24) con los cuatro patrones de acero de referencia. "Lo sacamos cada cuatro años", afirma Medina, "y lo comparamos con cuatro patrones de acero de un kilogramo. A partir de esos cuatro tenemos que ir comparándolo con otros patrones de masa, múltiplos y submúltiplos del kilogramo, hasta cubrir los valores nominales desde el miligramo hasta los 1 000 kg". El proceso es importante porque el CEM da los valores de referencia para todos los laboratorios de calibración y de allí a la industria o el comercio, una pirámide que garantiza la exactitud de instrumentos que van desde las balanzas de los mercados a las básculas para pesar trenes y camiones.
El trabajo de los especialistas en Metrología tiene mucho de viajar y comparar. En sus más de 20 años de experiencia en el CEM, Bautista ha viajado en dos ocasiones a París para comparar el K3 con las copias del patrón internacional y calcular qué variaciones sufren unos respecto a otros. "La última vez fue en el mes de mayo de 2013", recuerda. "Metemos el patrón en este estuche y lo llevamos entre dos personas, para que siempre esté protegido". Este tipo de comparaciones se hacen cada vez con menos frecuencia porque el proceso es muy complejo. "Cuando termina el proceso ya hay cosas nuevas", asegura, "y a veces ¡te toca empezar otra vez!".
El problema de tener un patrón físico de referencia es que uno se debe adaptar a sus variaciones. "Lo que hemos visto", explica Medina, "es que, tal y como se mide y define, la unidad de masa no es estable en el tiempo. El prototipo físico está en contacto con la atmósfera y eso significa que experimenta dos procesos, de fisiabsorción y quimiabsorción, por el que las moléculas del ambiente interactúan con la superficie del prototipo y hacen variar la masa". Aunque el kilogramo de París se mantiene en las condiciones lo más estables posibles, y solo se ha sacado oficialmente de su ubicación tres veces, al compararlo con las seis copias de referencia se han visto estas variaciones. "Cada vez que usas el artefacto puedes dañarlo", insiste Medina, "por eso no se toca para nada.
Solo se utilizó cuando se construyó y comparó, y en las dos comparaciones internacionales de 1959 y 1992". Originariamente, el patrón tenía una pequeña diferencia con las copias, en la segunda verificación se vio que la diferencia había aumentado y en la más reciente se vio que la diferencia era todavía mayor.
"No se sabe si lo que varía de masa es el patrón internacional o las copias", resume Medina, "lo que sí se sabe es que el sistema, tal y como está, es inestable y presenta una deriva de 50 microgramos en cien años, lo que afecta al nivel de incertidumbre de la medida". En el caso de K24, se han hecho tres verificaciones. En la primera, en 1889, la diferencia respecto al patrón internacional era de -0,191 mg; en la segunda, en 1959, la diferencia bajó a -0,173 mg; y en la más reciente, en 1992, el valor se aproximaba más al patrón, con una diferencia de -0,146 mg (por eso se eligió frente a K3).
Varios laboratorios buscan una manera de basar el kilogramo en una constante fundamental. Es por este motivo por el que desde hace unos años numerosos laboratorios del mundo se esfuerzan en encontrar un método para prescindir del patrón físico del kilogramo y basar la unidad de masa en una de las constantes físicas fundamentales. Los dos experimentos en marcha están dando resultados cada vez más prometedores y se rumorea que en 2018 la Conferencia General de Pesas y Medidas podrá tomar alguna decisión sobre el nuevo kilo y el nuevo Sistema Internacional de Unidades. El primer experimento es el conocido como balanza de potencia (o de Watt), que consiste en encontrar magnitudes eléctricas para medir la masa y basar finalmente su medida en fenómenos cuánticos y referir la unidad a la constante de Planck. El problema es que el experimento es tan complejo que solo hay un laboratorio que declara estar obteniendo valores de incertidumbre aceptables.
El segundo experimento para encontrar la masa a través de una constante se basa en el número de Avogadro. Por resumirlo de manera sencilla, se trata de construir esferas de silicio monocristal de un mismo isótopo (28) cuya estructura molecular se conoce con exactitud. Al conocer el número de partículas por mol se podrá definir la masa de manera estable, aunque con un prototipo físico bastante más difícil de fabricar. Si ambos experimentos tienen éxito y dan resultados suficientemente concordantes, el patrón de kilogramo y sus copias pasarán a ser patrones secundarios, y quizá acabarán un día como objetos de museo, al igual que los patrones físicos de metro que ya no tienen ninguna utilidad y que el CEM guarda en una cámara acorazada de su colección.
17ª cuestión
¿Quien fue Carlos Ibáñez de Ibero?
18ª cuestión
¿Qué dos patrones del kilogramo se encuentran y utilizaban en España?