A partir del 2019, un kilo ya no pesará un kilo

El kilogramo está en vías de ser actualizado. Lo que está a punto de cambiar es la definición científica exacta de la masa de un kilogramo. Mañana, 16 de noviembre, científicos de más de 60 países se reunirán en la Conferencia General sobre Pesos y Medidas (CGPM) para votar por este cambio, o no, en el Palacio de Congresos en Versalles (Francia), y redefinir cuatro de las siete unidades base para el Sistema Internacional de Unidades (SI).

La conferencia está organizada por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM, por sus siglas en francés) y si la votación está a favor de la modificación, las nuevas unidades se definirán en términos de constantes que explican el mundo natural. 

Un voto afirmativo significa que el kilogramo (masa), el kelvin (temperatura), el amperio (corriente eléctrica) y el mol (cantidad de sustancia) serían determinados por constantes fundamentales de la naturaleza en lugar de por objetos físicos.

Se tomó esta decisión ya que con el tiempo, el cilindro que rige al kilogramo ha sufrido cambios y ha perdido algunos miligramos; alterando su peso real.

La constante de Planck (H) por el kilo

Sin embargo, a partir de 2019, si así se decidiera, la “gran K” cederá su lugar a la pequeña “h”. Esta constante, descubierta en 1900 por el físico Max Planck, al cual es el producto de una energía por un tiempo.

La unidad seguirá siendo la misma, es decir, se seguirá hablando de kilos; solo cambiará su definición. Esta modificación abrirá la oportunidad para usar nuevas tecnologías y así poner en funcionamiento las definiciones.

“Usar las constantes fundamentales que observamos en la naturaleza como base para conceptos importantes como masa y tiempo significa que tenemos una base estable desde la cual avanzar en nuestra comprensión científica, desarrollar nuevas tecnologías y abordar algunos de los mayores desafíos de la sociedad”, explicó Martin Milton, director de BIPM, en entrevista con The Associated Press.

El valor de la unidad de masa ya no dependerá de un objeto, sino de una constante de la naturaleza.

Las nuevas definiciones quedarían así:

El kilogramo será definido por la constante de Planck (h)
El ampere por la carga eléctrica elemental (e)
El kelvin por la constante de Boltzmann (k)
El mol por la constante de Avogadro (NA)

Durante 130 años, el kilo ha sido la referencia de la unidad básica de masa. El kilo patrón, fabricado con una aleación resistente a la corrosión de 90% de platino y 10% de iridio, pocas veces ha visto la luz, pero ha cumplido una función crucial como la base del sistema aceptado internacionalmente para medir la masa del cual depende, por ejemplo, el comercio internacional.

Se necesitan tres llaves, guardadas en tres lugares distintos, para abrir la bóveda donde se guardan el Gran K y seis copias oficiales –– conocidas como “el heredero y los repuestos” –– bajo campanas de vidrio en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sevres, un suburbio al oeste de París.

Es oficial, se votó a favor. ¿Qué va a cambiar?

La Conferencia Internacional de Pesos y Medidas aprobó la redefinición histórica del Sistema Internacional de Unidades. El acuerdo entrará en vigor el 20 de mayo de 2019.

En lugar de usar el kilogramo clásico como criterio, los científicos usarán la constante de Planck para definir un kilogramo, lo que varía en unos 50 microgramos menos. El nuevo valor del kilogramo se deriva de la constante de Planck gracias a una balanza de potencia.

La constante de Planck es la cantidad de energía liberada en la luz cuando los electrones en los átomos saltan de un nivel de energía a otro. Ese número ahora será exactamente de 6.62607015 x 10 ^ -34 J·s. Para realizar sus mediciones, los científicos usarán un instrumento electromagnético sensible conocido como balance de Kibble.

Todavía queda una unidad básica en el punto de mira: el segundo.

Este cambio no tendrá ninguna implicación en la cesta de la compra ni se notará en el día a día, pero puede ser muy importante en ámbitos científicos como el desarrollo de medicinas.

Fuente: Muy Interesante 

“Max Planck, revolucionario a pesar suyo” por J.M. Sánchez Ron

Max Planck | credit: Wikimedia Commons

Este texto de José Manuel Sánchez Ron apareció originalmente en el número 4 de la revista CIC Network (2008) y lo reproducimos en su integridad por su interés.

El 23 de abril de este año, 2008, se cumplieron 150 años del nacimiento de un físico, Max Planck (1858-1947), que puso en marcha una de las mayores grandes revoluciones de toda la historia de la ciencia, la de la física cuántica, cuyos frutos terminarían cambiando el mundo. Fue en 1900 cuando Planck obtuvo el resultado por el que le recordamos, un resultado que no encajaba bien con la continuidad que la física suponía hasta entonces para la radiación electromagnética. Estrictamente, lo que halló es que para explicar la ley –que él mismo había introducido muy poco antes, de forma semiempírica– de la radiación de un cuerpo negro (radiación de todas las longitudes de onda en equilibrio) era necesario utilizar una expresión asociada de alguna manera a la radiación electromagnética: su célebre fórmula E=hv esto es, energía igual a una constante (luego denominada Constante de Planck) multiplicada por la frecuencia (el inverso de la longitud de onda) de la radiación. En principio, la lectura inmediata de este resultado es que la radiación electromagnética, y por consiguiente la luz, hasta entonces, repito, considerada una onda continua, estaba compuesta de “partículas” independientes, de cuantos como finalmente fueron denominados, cada uno de los cuales dotado de una energía igual a hv. 

Planck no pudo aceptar tal conclusión. De una forma u otra se pasó una buena parte del resto de su vida tratando de evitarla. Más de treinta años después, en una carta que escribió el 7 de octubre de 1931 al físico estadounidense Robert W. Wood, recordó que, “resumido brevemente, se puede describir lo que hice como un acto de desesperación. Por naturaleza soy pacífico y rechazo toda aventura dudosa. Pero por entonces había estado luchando sin éxito durante seis años (desde 1894) con el problema del equilibrio entre radiación y materia y sabía que este problema tenía una importancia fundamental para la física; también conocía la fórmula que expresa la distribución de la energía en los espectros normales (ley de radiación de un cuerpo negro). Por consiguiente, había que encontrar, costase lo que costase, una interpretación teórica… Boltzmann había explicado cómo se establece el equilibrio termodinámico mediante un equilibrio estadístico, y si se aplica semejante método al equilibrio entre la materia y la radiación, se encuentra que se puede evitar la continua transformación de energía en radiación suponiendo que la energía está obligada, desde el comienzo, a permanecer agrupada en ciertos cuantos. Esta fue una suposición puramente formal y en realidad no pensé mucho en ella”. 

Recurrir a la explicación que Boltzmann había dado de la entropía, en la que se utilizaban probabilidades fue especialmente doloroso para Planck porque lo que él siempre buscó en la ciencia son absolutos; de hecho, lo que estaba intentando cuando llegó a la expresión para la radiación de un cuerpo negro, que le llevaría a los cuantos, era explicar el crecimiento de la entropía sin recurrir a las probabilidades de Boltzmann. Así es, no obstante, la investigación científica: puede conducir a lugares insospechados.

Fue un joven y todavía desconocido físico empleado en la Oficina de Patentes de Berna de nombre Albert Einstein quien, cinco años más tarde (1905), se tomó en serio la discontinuidad que Planck no aceptaba, mostrando que para explicar una serie de fenómenos (como el célebre efecto fotoeléctrico) era necesario suponer que a veces la luz se comporta como un conjunto de cuantos de luz regidos por los resultados de Planck, y otras como una onda continua. Por este trabajo, Einstein recibió el premio Nobel de Física de 1921. Tres años antes, el galardón había recaído en Planck, “en reconocimiento”, como se lee en el comunicado oficial de la Academia Sueca, “a los servicios que ha prestado al avance de la Física con su descubrimiento de los cuantos de energía”.

Hasta aquí lo esencial de las contribuciones científicas de Planck (nunca volvió a alcanzar alturas comparables a las de 1900), pero su biografía no se limita a esto y contiene apartados de gran interés; es preciso, por consiguiente, volver atrás.

Tomado de:

Cuaderrno de Cultura Científica

Una roca es un reloj

Investigadores de la Universidad de California en Berkeley (EE UU) han creado un nuevo reloj atómico que puede medir el tiempo con la masa de un átomo, y viceversa. El desarrollo de este dispositivo, cuyo mecanismo se presenta esta semana en la revista Science, puede ayudar a definir mejor el concepto de kilogramo.

“Por así decirlo, una roca es un reloj”, señala Holger Müller, un profesor de la Universidad de California-Berkeley (EEUU) preocupado desde niño por saber lo que realmente es el tiempo. Ahora, junto a otros colegas de su universidad, acaba de fabricar un reloj que asocia el tiempo a la masa de una partícula.

Medir el tiempo usando la masa, y viceversa Crédito: Pei-Chen Kuan.

Los investigadores han materializado la hipótesis del físico francés Louis-Victor de Broglie, que ya en 1924 planteó que la materia, además de su característica corpuscular, también puede actuar como una onda.

Construir un reloj de materia parecía imposible, ya que la frecuencia –denominada de Compton– de esas ondas de materia se consideraba casi imposible de observar, o aunque se pudiera, las oscilaciones serían demasiado rápidas para medirlas.

“En un reloj de pared hay un péndulo y un mecanismo que puede contar sus oscilaciones, pero no había manera de hacer un reloj de ondas de materia, ya que su frecuencia de oscilación es 10 000 millones de veces más alta que, incluso, las oscilaciones de la luz visible”, comenta Müller.

Sin embargo, el equipo lo ha conseguido gracias a los dos aparatos con los que ha construido su reloj: un interferómetro –instrumento que usa la interferencia de las ondas para medir las longitudes de onda– y un ‘peine’ de frecuencias. Con ellos han podido jugar con las variables de la frecuencia de Compton (w=mc²/h, donde m es la masa, c la velocidad de la luz y h la constante de Planck) en un átomo de cesio.

Como, según la teoría de la relatividad, el tiempo se ralentiza para los objetos en movimiento, el átomo de cesio que se aleja y vuelve es más ‘joven’ que el que se queda parado. Es decir, la onda de materia del cesio viajero oscila menos veces. Así, midiendo las ínfimas diferencias de frecuencia –del orden de 3×10²⁵– se puede calcular el tiempo.

“Nuestro reloj tiene una precisión de siete partes por cada mil millones”, explica Müller, quien reconoce que esto todavía es cien millones de veces menos de lo que ofrecen los mejores relojes atómicos actuales, que usan iones de aluminio.

Mejores relojes y patrones atómicos

“Pero las mejoras en nuestra técnica pueden impulsar la precisión de los relojes atómicos, incluidos los de cesio que hoy se emplean para definir el segundo”, añade el investigador.

Además de poder medir el tiempo con la masa, el estudio plantea lo contrario: deducir la masa conociendo el tiempo de las oscilaciones. Es otra de las ventajas de utilizar la ecuación de Compton.

De esta forma, el trabajo –que publica Science esta semana– también puede ayudar en el futuro a definir mejor el concepto de kilogramo, que se podría relacionar con una unidad de tiempo como el segundo.

En la actualidad la masa de referencia del kilogramo es un cilindro de platino e iridio que se custodia en una caja fuerte en Francia, con copias exactas repartidas por todo el mundo. La de Reino Unido se hecho popular recientemente porque se ha detectado que ha ‘engordado’ unos microgramos. Para evitar desviaciones como esta, la Conferencia General de Pesos y Medidas trata de sustituir este kilogramo estándar por otro basado en una medida física de mayor precisión.

En este sentido se plantea la propuesta del equipo para hacer un nuevo patrón de masa en función del tiempo, junto a otras alternativas como el uso de la denominada esfera de Avogadro, un cristal muy puro de silicio del que se conoce con precisión su número de átomos.

“Nuestro reloj y las mejores esferas de Avogadro actuales pueden facilitar la nueva definición de kilogramo”, dice Müller, que resume: “Conocer el tictac de nuestro reloj es equivalente a conocer la masa de la partícula, y una vez que sabes la masa de un átomo, puedes relacionarla con las masas de los demás”.

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Referencia bibliográfica: S.-Y. Lan; P.-C. Kuan; B. Estey; D. English; J.M. Brown; M.A. Hohensee; H. Müller; H. Müller. “A Clock Directly Linking Time to a Particle’s Mass”. Science, 10 de enero de 2013.
Fecha Original: 10 de enero de 2013 Enlace Original

Tomado de:

Ciencia Kanija

5 curiosidades ociosas sobre Física que probablemente no conoces

1. En mecánica cuántica, la distancia más pequeña posible se conoce como longitud de Planck. Y el tiempo que tardaría un fotón en cubrir esa distancia se conoce como tiempo de Planck. Si contáramos una longitud de Planck por segundo, tardaríamos 10.000.000 veces la edad actual del universo en alcanzar el diámetro de un átomo.

2. Un acelerador de partículas con potencia suficiente como para investigar la escala de Planck debería tener un peso equivalente al de la Luna, y su circunferencia sería igual a la órbita de Marte.

3. Las ondas sonoras generadas por un agujero negro en el doble cúmulo de Perseo está en si bemol, 57 octavas por debajo de las teclas de un piano. Según el libro de Joel Levy 100 analogías científicas:

Se trata de un sonido mil billones más profundo de lo que puede percibir el oído humano. Se trata de una nota que lleva 2.500 millones de años sonando.

4. 100 billones de trillones de grados Kelvin es la temperatura del universo unos segundos después del Big Bang. Una temperatura equivalente a mil millones de billones de supernovas.

5. El universo está hecho “a medida” para nosotros. Si el conjunto de constantes fundamentales que rige las propiedades de la materia y de la energía fuera diferente, la vida no podría haber aparecido. Por ejemplo, si la interacción nuclear débil fuerse un poco más fuerte, el universo sería una gigantesca sopa de hidrógeno puro. Dado ue la interacción nuclear débil tiene exactamente la fuerza que tiene, el universo contiene un amplio abanico de elementos.

Fuente:

Xakata Ciencia

¿Existe un límite superior de temperatura?

Domingo, 07 de marzo de 2010

¿Existe un límite superior de temperatura?

Hoy trataré de responder a la siguiente pregunta: todos sabemos que existe un límite inferior de temperatura. Dicho de otra manera, las cosas pueden estar muy frías, pero sólo hasta cierto punto (el cero absoluto). ¿Existe algún límite por el otro lado? ¿Es posible una temperatura infinita? La pregunta es más compleja de lo que puede parecer a primera vista, y nos llevará a lugares muy interesantes de la física teórica. Espero que disfrutes el viaje.

En primer lugar, recordemos por qué no es posible enfriar un cuerpo infinitamente. La temperatura es una medida de lo rápido que se mueven las partículas que componen el cuerpo. Cuando lo enfriamos, sus partículas (si es un cuerpo normal y corriente, sus átomos) se mueven cada vez más lentamente, hasta que se paran: eso es el cero absoluto, 0K, -273°C. Como las partículas no pueden moverse más lentamente que “nada”, entonces no es posible enfriar el cuerpo más allá.

Pero, ¿y por el otro lado? Probablemente ya estás pensando por dónde van a ir los tiros. La mecánica clásica (y su hija, la termodinámica decimonónica) no predicen ningún límite superior de temperatura. De hecho, muchos libros de texto afirman alegremente que “la temperatura puede aumentar hasta el infinito”. Sin embargo, de acuerdo con la física moderna, no es posible llegar a una temperatura arbitrariamente alta. El genio que determinó cuál es el valor máximo fue Max Planck, y no lo hizo directamente. Y no sólo eso: su valor puede ser una de las claves en nuestra comunicación con civilizaciones extraterrestres cuando nos encontremos. ¿Interesado?

El sistema de unidades naturales de Planck

En 1899, Planck se plantea lo siguiente: ¿cómo sería posible crear un sistema de unidades objetivo y universal? Los sistemas de unidades primitivos siempre se basan en valores relacionados con los seres que los crean: los pies o las pulgadas, por ejemplo. O se basan en comodidad matemática: los segundos, los minutos y las horas. Nuestras unidades, aún hoy, son antropocéntricas.

Max Planck.

Un sistema de unidades que sólo se basa en valores absolutos de la naturaleza sería más avanzado, y existen varios de estos sistemas, que se llaman sistemas de unidades naturales: por ejemplo, la unidad de carga puede hacerse igual a la carga del electrón, y la de masa a la masa del protón. Esto es un avance, pero Planck quiso ir más allá.

¿Sería posible crear un sistema de unidades que no dependiera de ningún aspecto de nosotros mismos ni de ninguna partícula, ni de su carga, ni de su masa? ¿Un sistema de unidades que sólo dependiera del valor de constantes universales en el vacío? Sería un sistema que no dependería absolutamente de nada local, un sistema realmente universal. En palabras de Planck, …Éstas retienen necesariamente su significado en cualquier momento y para cualquier civilización, incluso las extraterrestres y no humanas, y pueden por lo tanto llamarse “unidades naturales”…

¡Qué genialidad! En 1899, cuando no existía ni el aeroplano, Planck se está planteando cómo comunicarnos matemáticamente con una civilización extraterrestre no humana.

Lo que hace el genial físico es elegir un conjunto de constantes universales, dar a cada una el valor “1″ y derivar todas las unidades a partir de ellas. Las constantes que elige son: la velocidad de la luz en el vacío, la constante de gravitación universal, la constante de Dirac, la constante de Coulomb y la constante de Boltzmann. Planck se da cuenta de que este conjunto de constantes barren todo el espectro de fenómenos físicos conocidos, y permiten obtener unidades para todas las magnitudes físicas.

Por supuesto, las unidades básicas del sistema de Planck no son el tiempo, la longitud, etc. Ésas son unidades derivadas. Por ejemplo, la unidad de longitud en el sistema de Planck, expresada en nuestro sistema internacional, la longitud de Planck, es

metros. Como puedes ver, se obtiene a partir de

la constante de Dirac, la de gravitación universal y la velocidad de la luz en el vacío. Y es evidente que no tiene mucho sentido usarla en nuestra vida cotidana: ¡la longitud de Planck es una cientrillonésima del núcleo de un átomo!

Pero lo más interesante es lo siguiente: casi todas las unidades del sistema de Planck significan algo. Por supuesto, esto no es casualidad – sus valores se basan en el funcionamiento básico del Universo. Aunque están todas derivadas de las constantes anteriores, cada valor ha resultado ser algún tipo de límite fundamental o valor especial en la naturaleza. Por ejemplo, la longitud anterior representa la distancia más pequeña que puede ser medida en el Universo: para saber con precisión dónde está una partícula subatómica, se lanzan fotones contra ella. Cuanto menor es la longitud de onda de los fotones, mayor precisión en la medición. Pero cuanto menor es la longitud de onda de los fotones, mayor es su energía. De modo que, cuanto más pequeño es lo que quieres medir, más energía tiene que tener cada fotón que choca contra lo que quieres medir. Aquí está lo curioso: si un fotón cuya longitud de onda es la longitud de Planck choca contra una partícula, le daría tanta energía que se produciría un minúsculo agujero negro – si has leído el artículo mencionado al principio, el fotón habría “sacado a la partícula” del Universo. No se puede medir nada más pequeño.

Aquí es donde entramos en un aspecto filosófico del asunto: ¿Puede existir algo en el Universo más pequeño que la longitud de Planck? Si es así, ese “algo” es imposible de medir, con lo que nunca, jamás, seremos conscientes de su existencia salvo indirectamente. Si, en lo que a nosotros concierne, nunca podrá ser observado, ¿importa que exista o no? La mayor parte de los físicos cuánticos probablemente argumentaría que si algo no puede jamás ser observado, la pregunta anterior es inane. No tiene sentido preocuparse por ella.

En cualquier caso, aunque casi todas las unidades del sistema de Planck son fascinantes, centrémonos en la temperatura de Planck, que es la razón de este artículo:

1.41679(11) × 10³² K

En este caso, se obtiene a partir de la constante de Dirac, la velocidad de la luz en el vacío, la constante de gravitación universal y la de Boltzmann. Su valor es tan enorme que es difícil de asimilar: un uno seguido de 32 ceros es, en lo que a cualquier aplicación en nuestra vida práctica se refiere, infinito.

Pero el hecho es que la temperatura de Planck no es infinita. ¿Cuál es su significado físico en este caso? Recuerda que la temperatura mide cómo de rápido se mueven las partículas que componen un cuerpo. La temperatura de Planck es la temperatura a la cual las partículas se estarían moviendo tan deprisa que cada una se convertiría en un minúsculo agujero negro. Como consecuencia, todas las leyes de la Física que conocemos dejarían de tener sentido y las partículas, a todos los efectos prácticos, abandonarían nuestro Universo.

¿Quiere esto decir que es imposible llegar más allá? En el estado actual de la Física, sí. Es posible que, si algún día se logra una relatividad cuántica (una unificación de ambas teorías), pueda explicarse qué ocurre más allá, pero ahora mismo pensamos que es imposible pasar de ese límite. Por lo tanto, de acuerdo con las teorías físicas actuales, la temperatura de Planck es el límite superior de temperatura, ya que al traspasarlo “te caes fuera” del Universo.

Aunque parezca mentira, estamos bastante seguros de que el Universo ha conocido esta temperatura tan enorme. ¿Cuándo? Justo después del Big Bang. De hecho, sabemos incluso en qué momento: cuando el tiempo de vida del Universo era el tiempo de Planck. (unos 10^-44 segundos). Sí, el tiempo de Planck también significa algo: es lo más cerca que podemos acercarnos al Big Bang utilizando la física que conocemos. Por eso, mientras la Física no avance, lo que sucedió antes de ese momento, cuando el Universo estaba más caliente que la temperatura de Planck, está fuera de todo conocimiento – a efectos prácticos, no es parte del Universo.

Hemos pasado de una pregunta aparentemente ingenua (¿pueden las cosas calentarse hasta el infinito?) a los límites actuales del conocimiento humano – todo gracias a Max Planck, el cual, espero, haya ganado unos cuantos puntos en tu escala de respeto, cualesquiera que sean las unidades en las que lo mides.

Fuente:

El Tamiz