Un renovado Sistema Internacional de Unidades

Siete constantes para siete unidades,
siete unidades para un solo sistema,
un sistema para medirlo todo
y a todos ponernos de acuerdo.

El 20 de mayo de 2019 entra en vigencia una renovada definición del Sistema Internacional de Unidades, un día cumbre en el desarrollo de la ciencia y la tecnología, las cuales están permanentemente entrelazadas y empujándose adelante una a la otra. El mundo seguirá funcionando igual que siempre, un kilogramo de tomates seguirá siendo lo mismo de siempre, las balanzas seguirán midiendo del mismo modo que hasta ahora, pero por primera vez en la historia las 7 unidades básicas de medida serán todas completamente independientes de objetos específicos y en su lugar pasan a depender íntegramente de 7 números definidos de forma exacta. Esto tiene como principal consecuencia que se aumenta la autonomía de cada país y de cada laboratorio al momento de establecer y calibrar sus instrumentos de medición.

Antiguamente las medidas se realizaban con unidades diferentes en cada región, en cada comarca, haciendo que la comunicación fuera muy complicada. El comercio, entre otras actividades, motivó el uso de unidades comunes para establecer el intercambio de mercaderías. Pero fue la ciencia moderna quien tomo el verdadero protagonismo del asunto. Fue así que a fines del siglo XVIII, durante la revolución francesa, nació un nuevo sistema de unidades basado en los principios de la lógica y las ciencias naturales que por largo tiempo se conoció como Sistema Métrico. Fue en 1960, con nuevas y mejoradas definiciones, cuando se transformo en lo que hoy conocemos como el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Las primeras definiciones del sistema métrico de la Revolución francesa definían el metro como la diez millonésima parte de la distancia del polo norte al ecuador y el kilogramo como la milésima parte de la masa de un metro cúbico de agua (o sea, la masa de un litro de agua). Más tarde se crearían el kilogramo patrón (un cilindro de un kilogramo de masa) y el metro patrón (una barra de un metro de largo). Estos objetos requerían custodia especial para que no se modificaran y además complejizaba la reproducibilidad de esas unidades en el resto del mundo. Cada país y cada laboratorio debía contar con copias lo más exactas posibles de esos patrones para calibrar sus propios instrumentos de medida, con todo lo que ello implica en imprecisión durante la copia y en la variabilidad de los objetos a lo largo del tiempo.

En 1960 se dio un gran paso adelante. El metro dejó de ser una barra para pasar a definirse mediante la longitud de onda de cierto tipo específico de luz. El segundo dejó de estar definido mediante la rotación de la Tierra y pasó a definirse a partir de la frecuencia de cierto tipo específico de luz.

Hoy en día todas las magnitudes físicas se basan en 7 unidades básicas y a partir de este 20 de mayo de 2019, las 7 unidades básicas están basadas en 7 números exactos, algunos de los cuales son constantes físicas universales. Estos 7 números permiten que en cualquier laboratorio de cualquier país se puedan calibrar los instrumentos de medida, eliminando de ese modo la dependencia de compararlos con instrumentos o patrones de medida de otros laboratorios.

Las 7 unidades básicas del SI son las siguientes:

TIEMPO: Segundo (s)
LONGITUD: Metro (m)
MASA: Kilogramo (kg)
INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA: Ampere (A)
TEMPERATURA: Kelvin (K)
CANTIDAD DE SUSTANCIA: Mol (mol)
INTENSIDAD LUMINOSA: Candela (cd)


Para definir estas 7 unidades básicas, pasan a definirse de forma exacta los siguientes siete números, que pasan a ser las piedras angulares de la ciencia moderna:

Frecuencia de la transición hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133: 
\[ Δν_{Cs} = 9192631770 1/s \]
Velocidad de la luz:
\[c = 299792458 m/s\]
Constante de Planck:
\[h = 6,62607015 × 10^{−34} kg⋅m^2/s\]
Carga elemental:
\[e = 1,602176634 × 10^{−19} A⋅s\]
Constante de Boltzmann:
\[k = 1,380649 × 10^{−23} kg⋅m^2/(K⋅s^2)\]
Número de Avogadro:
\[N_A = 6,02214076 × 10^{23} 1/mol\]
Eficacia luminosa de la luz monocromática de \( 540 × 10^{12} Hz \):
\[K_{cd} = 683 cd⋅sr⋅s^3/(kg⋅m^2)\]

En otras notas entraré en detalle sobre cómo se define cada una de las unidades básicas, en particular la más interesante de todas que el el kilogramo, basada en la balanza de Kibble (o balanza watt), que asocia la constante de Planck a la definición de la unidad de masa. De momento comparto dos diagramas muy extendidos que muestran de qué constantes dependen cada una de las 7 unidades básicas y cómo se relacionan las unidades entre sí. El primer diagrama corresponde a las unidades tal como quedaron definidas a partir de la convención de 1983. El segundo es el esquema según la definición acordada en 2018 y que entra en vigencia el 20 de mayo de 2019.


El SI de 1983:
En el SI de 1983 (vigente hasta el 19 de mayo de 2019), solo el metro y el segundo estaban definidos a partir de constantes exactas.


El SI de 2019:
En el SI de 2019 (vigente a partir del 20 de mayo de 2019), las 7 unidades básicas quedan definidas a partir de 7 constantes exactas y de ciertas relaciones específicas entre las unidades.



En próximas (siete) notas detallaremos la historia de cada una de las siete unidades y la formas en que se definen.




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Comentarios

  1. Buen artículo, muy claro. Espero pronto las siete próximas partes!

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  2. Gracias!, Gracias, Un millón de gracias... No solo pero este artículo, sino por los siete que han de venir. ¿Acaso los vulgares mortales no tenemos derecho a que se nos expliquen las cosas cno EXACTITUD?...
    Hasta ahora, todos los artículos que he leído sobre este tema, se limitan a divagar con generalidades; pero el tuyo va al grano y no se queda en las clásicas "parábolas para tontos".

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  3. Respuestas
    1. muchas gracias por tratar este importante tema de las unidades un tema tan complicado para que nuestros alumnos manejen con destreza

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