Metros, litros, kilogramos. El acceso al conocimiento científico no es posible sin resultados de medida acompañados de sus unidades correspondientes. Hoy, 20 de mayo, hace 142 años que se firmó la Convención del Metro por la que cerca de un centenar de países actúan en conjunto en temas de metrología científica. El Día Mundial de la Metrología nos recuerda que la uniformidad internacional de los pesos y las medidas, sigue siendo tan importante ahora como lo fue en 1875.

20 de mayo de 2022.

La metrología, como ciencia de la medida, y en particular la metrología fundamental, responsable de la mejora y el desarrollo de las definiciones y realizaciones de las unidades de medida, busca incansablemente la mejora de las incertidumbres de medida para aumentar los niveles de confianza en cualquier resultado de mediciones y asegurar su comparabilidad. Por tanto, la metrología se encuentra en el centro de cualquier actividad científica ya que el acceso al conocimiento científico no es posible sin un resultado de medida acompañado de su unidad correspondiente y de su incertidumbre asociada.

La Convención del Metro es un tratado internacional firmado el 20 de mayo de 1875 que creó la organización intergubernamental BIPM (Oficina Internacional de Pesas y Medidas) y por la que los gobiernos actúan en conjunto en temas relacionados con la metrología científica: el Sistema Internacional de Unidades (SI) y los patrones de medida.

En la actualidad, cuenta con 63 Estados Miembros, España entre ellos, y 39 asociados. Es, tras la Unión Internacional de Comunicaciones (UIT), la organización internacional más antigua del mundo. Por ello, el día 20 de mayo se celebra el día mundial de la metrología para recordar que el objetivo original de la Convención del Metro, la uniformidad internacional de los pesos y medidas, sigue siendo tan importante ahora como lo fue en 1875.

Siete unidades básicas del SI

La misión del BIPM es asegurar la unificación mundial de las medidas y se encarga, entre otras actividades, de establecer los patrones fundamentales, garantizar y promover la comparabilidad global de mediciones, incluida la provisión de un sistema internacional coherente de unidades, el SI, absolutamente imprescindible para la investigación y la innovación científica, la fabricación industrial, el comercio internacional, la mejora de la calidad de vida y la sostenibilidad medioambiental.

El SI es, por tanto, el sistema adoptado internacionalmente, utilizado en la práctica científica y el único legal en España, en la Unión Europea y en numerosos otros países. El SI parte de un pequeño número de unidades denominadas básicas (metro, kilogramo, segundo, amperio, kelvin, mol y candela), correspondientes a otras tantas magnitudes. A partir de ellas, se obtienen las denominadas derivadas, como producto de potencias de las básicas.

Pero el SI no es un sistema estático, ha ido evolucionando a lo largo de estos últimos casi 150 años para adaptarse a los requisitos científicos, tecnológicos y sociales.

Cambios científicos a lo largo del siglo XX

A finales del siglo XIX las primeras unidades se definieron a partir de “propiedades invariables del planeta”, como la longitud de un meridiano terrestre, y se fabricaron unos prototipos del metro y del kilogramo fabricados en platino iridiado.

Con el auge científico y técnico de la primera mitad del siglo XX, se unieron nuevas unidades a las de masa y longitud: el amperio, el kelvin y la candela y ya en los años setenta del siglo pasado se agregó la séptima unidad fundamental: el mol.

Además, todas las definiciones fueron evolucionando, en un primer paso para basarse en parámetros atómicos, como el metro que en los años sesenta del siglo pasado utilizaba la longitud de onda de la radiación de una transición particular del ⁸⁶Kr. En esa misma época, el segundo se definía también como el valor numérico de frecuencia de la transición hiperfina del estado fundamental del átomo ¹³³Cs no perturbado.

Veintitrés años más tarde, el metro volvió a cambiar de nuevo su definición para basarse en el trayecto recorrido por la luz en el vacío en un periodo de tiempo determinado. Esto abrió un nuevo horizonte al SI en el que, por primera vez, una de sus unidades se definiría a partir de una constante fundamental de la naturaleza: la velocidad de la luz.

Problemas del SI y la aparición de constantes: nuevo sistema en 2019

En los años siguientes se empezaron a hacer patentes inconsistencias y debilidades del SI. Por ejemplo, el kilogramo seguía estando definido por un artefacto material (cilindro de platino iridiado) que estaba derivando sin posibilidad de determinar si perdía o ganaba masa. El amperio también suponía un problema ya que su definición era irrealizable en la práctica cuando el descubrimiento de los efectos cuánticos Hall y Josephson permitían realizarlo de forma indirecta con incertidumbres de realización muy bajas.

Por ello a principios del siglo XXI se planteó una revisión completa del SI de forma que las definiciones de las unidades básicas se fundamentasen en constantes. Estas constantes se han elegido de forma que proporcionen una referencia fundamental, estable y universal y que además permitan realizar prácticamente estas unidades con baja incertidumbre. De estas constantes, tres de ellas son constantes fundamentales de la naturaleza: la velocidad de la luz c, la constante de Planck h y la carga elemental e. Otras tres constantes son factores de conversión: la constante de Boltzmann k, la constante de Avogrado N_A y la eficacia luminosa, K_cd y la última, la frecuencia de la transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo ¹³³Cs, tiene el carácter de parámetro atómico.

Con los valores numéricos de las constantes fijos y con la ayuda de las leyes de la física, todas las unidades del SI pueden realizarse de manera experimental. Así, el 20 de mayo de 2019, entró en vigor un nuevo SI que hacía realidad los sueños de James Clerck Maxwell y Max Planck que clamaban por unas unidades de medida basadas en propiedades invariables de los átomos y constantes de la naturaleza.

Sobre sus bases científicas publicamos “¿Qué es el nuevo Sistema Internacional de Unidades de medida?” con la editorial Catarata en su colección Física y Ciencia para Todos.

Los autores de este texto son Miguel A. Martin-Delgado, director del grupo de investigación Información y Computación Cuánticas de la Universidad Complutense de Madrid y Mª Dolores del Campo Maldonado, directora de la división de magnitudes mecánicas e ingeniería del Centro Español de Metrología.