Las constantes fundamentales ayudarán a redefinir el metro o el kilo

Las constantes fundamentales que rigen las leyes de la naturaleza se están determinando con precisión cada vez mayor, de acuerdo con un artículo de revisión publicado esta semana en Journal of Physical and Chemical Reference Data, del Instituto Americano de Física (AIP).

El documento describe el Taller de este año sobre Determinación de Constantes Fundamentales, en el que una comunidad internacional de físicos y metrólogos compartieron su investigación sobre una serie de constantes fundamentales. En última instancia, una mejor definición de estas constantes ayudarán en el esfuerzo por redefinir varias unidades científicas estándar, incluyendo el kilogramo y el Kelvin, en 2018.

Las constantes fundamentales describen varias propiedades físicas del mundo que nos rodea. La constante de Planck, por ejemplo, rige la relación entre la energía y la frecuencia. La constante de estructura fina explica la fuerza de la interacción electromagnética entre partículas cargadas. Constantes fundamentales tales como éstas subyacen al desarrollo de gran parte de la tecnología actual, desde los relojes atómicos a los sistemas de GPS.

También están relacionadas con el Sistema Internacional de Unidades (SI), el sistema de medición estándar utilizado por toda la comunidad científica y en la mayoría de países de todo el mundo. Mediante la definición de unidades como el metro, en términos de constantes fundamentales fijas como la velocidad de la luz, nos aseguramos de que siguen siendo los mismos con el tiempo.

Sin embargo, algunas unidades del SI, como el kilogramo, todavía dependen de un estándar físico -en este caso, un cilindro de platino-iridio ubicado en Francia. Ahora que la investigación científica se lleva a cabo en todo el mundo, contar con una única norma física es un poco limitante, ya que los estándares de masas en otros países deben ser calibrados periódicamente con el original. Además, el propio estándar está sujeto a cambios en la masa en el tiempo.

Propuesta

Para que el sistema sea más coherente y accesible, la comunidad internacional de metrología planea redefinir todas las unidades del SI en términos de constantes fundamentales en 2018. Antes de que podamos redefinir todo un sistema de unidades, sin embargo, es importante estar seguros de que las constantes fundamentales de las que dependen las definiciones son tan exactas y precisas como sea posible. Y dado que diferentes procedimientos de medición o técnicas de recolección de datos pueden producirse resultados ligeramente diferentes, fijar los valores exactos de estas constantes puede ser un asunto sorprendentemente complicado.

"El objetivo del SI es proporcionar los mejores estándares posibles, y la redefinición será un paso en esa dirección", dice Peter Mohr, investigador del Instituto Nacional estadounidense de Estándares y Tecnología (NIST), en la nota de prensa de AIP.

Convergencia

Por suerte, algunos de los valores de las constantes disputadas hasta ahora parecen estar convergiendo. Por ejemplo, el taller reciente destacó avances en la determinación de la constante de Bolzmann, que explica la relación entre la temperatura y la energía de la partícula. Bajo el nuevo sistema SI, la constante de Boltzmann fijo se utiliza para definir el Kelvin, la unidad SI de temperatura.

La constante de Planck también ha visto un progreso marcado. "La constante de Planck era problemática en el pasado, ya que había diferentes valores obtenidos en diferentes experimentos. Sin embargo, los valores parecen estar convergiendo a un valor suficientemente fiable para redefinir el IS y seguir adelante", dice Mohr. La constante de Planck acabará utilizándose para definir el kilogramo.

"Las nuevas definiciones harán que muchas de las constantes físicas que se están midiendo ahora sean exactas en el futuro. Otras, aunque no exactas, serán más precisas", dice Mohr. "Esto va a estabilizar los valores de las constantes y proporcionará normas de medición precisas."

El taller de 2015 proporcionó información sobre al último ajuste de los valores oficiales para una serie de constantes físicas fundamentales, disponible en línea. Este ajuste no es el final antes de la redefinición oficial en 2018, pero aún así es un importante paso adelante.

El creciente consenso sobre los valores de ciertas constantes físicas fundamentales sugiere que podemos estar casi listos para fijar sus valores y pasar a un sistema de medición más fiable y eficiente.

Referencia bibliográfica:

Savely G. Karshenboim, Peter J. Mohr y David B. Newell: Advances in Determination of Fundamental Constants. Journal of Physical and Chemical Reference Data (2015). DOI: 10.1063/1.4926575.