Metrología

16.11.2018

Revisión del Sistema Internacional de Unidades: equiparable a la adopción del Sistema Métrico Decimal

L.P. C. Julieta Espinosa

Julieta Espinosa Directora

Una madrugada histórica (horario de invierno, tiempo del centro de México) la de este viernes, 16 de noviembre, cuando los 60 países firmantes del Tratado del Metro aprobaron la revisión del Sistema Internacional de Unidades (SI), durante la 26ª reunión de la Conferencia Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), celebrada a partir del 13 de noviembre en el Palacio del Congreso de Versalles en Versalles, Francia.

 

Para dicha revisión, la CIPM partió del entendido de que «es requisito esencial para un Sistema Internacional de Unidades que sea uniforme y accesible en todo el mundo para el comercio internacional, la fabricación de alta tecnología, la salud y seguridad humana, la protección del medio ambiente, los estudios del clima global y la ciencia básica que sustenta todo ello». Fundamento que valió la consideración de que las siete unidades base del SI debieran «ser estables a largo plazo, internamente autoconsistentes y prácticamente realizables, basadas en la descripción teórica actual de la Naturaleza en el nivel más alto».

 

Las unidades base del SI son el kilogramo (kg), el metro (m), el segundo (s), el ampere (A), el kelvin (K), el mol (mol) y la candela (cd); correspondientes a sus respectivas magnitudes: masa, longitud, tiempo, temperatura termodinámica, cantidad de sustancia e intensidad luminosa. Sus definiciones han evolucionado a lo largo de la historia persiguiendo la universalidad de su materialización, de tal forma, que hasta el 20 de mayo de 2019, el kilogramo será la única unidad base del SI cuya definición estará ligada a un artefacto material, a un cilindro de platino: el kilogramo patrón.

 

La importancia histórica de la resolución adoptada por la 26ª CIPM radica justo en que «presenta en detalle una nueva forma de definir el SI basado en un conjunto de siete constantes definitorias, delineadas de las constantes fundamentales de la Física y otras constantes de la Naturaleza, de las cuales se deducen las definiciones de las siete unidades básicas». Un acontecimiento que asegura la reproductividad universal de las unidades base y que despide al cilindro de platino de la definición del kilogramo.

 

Establecidas y confirmadas la condiciones por la CIPM en su 24ª (2011) y 25ª (2014) reunión, es que los países miembro decidieron que, a partir del 20 de mayo de 2019, en el marco del Día Internacional de la Metrología, cuatro unidades base del SI serán redefinidas: el kilogramo (kg), en términos de la constante de Planck (k); el ampere (A), en términos de la carga elemental (e); el kelvin (K), en términos de la constante de Baltzmann (k) y el mol (mol), en términos de la constante de Avogadro (N). De esta forma, las definiciones de las siete unidades base del SI serán difundidas por el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), mediante una nueva edición del folleto El Sistema Internacional de Unidades.

 

A partir de la nueva definición del SI, en términos de valores numéricos fijos de las constantes definitorias, las siete unidades base fueron establecidas de la siguiente manera:

 

El segundo, símbolo s, es la unidad de tiempo del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia de cesio ∆ VCs, la frecuencia de transición hiperfina en estado fundamental no perturbada del átomo de cesio 133, para ser 9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s-1.

 

El metro, símbolo m, es la unidad de longitud del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la velocidad de la luz en el vacío c como 299 792 458 cuando se expresa en la unidad m/s, donde el segundo se define en términos de ∆ VCs.

 

El kilogramo, símbolo kg, es la unidad de masa del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Planck h en 6.626 070 15 × 10-34 cuando se expresa en la unidad J s, que es igual a kg m2 s-1, donde el metro y el segundo se definen en términos de c y ∆ VCs.

 

El ampere, símbolo A, es la unidad del SI de corriente eléctrica. Se define tomando el valor numérico fijo de la carga elemental e como 1.602 176 634 × 10-19 cuando se expresa en la unidad C, que es igual a A s, donde el segundo se define en términos de ∆ VCs.

 

El kelvin, símbolo K, es la unidad del SI de temperatura termodinámica. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Boltzmann k en 1.380 649 × 10-23 cuando se expresa en la unidad JK-1, que es igual a kg m2 s-2 K-1, donde el kilogramo, el metro y las segundas se definen en términos de h, c y ∆ VCs.

 

El mol, símbolo mol, es la unidad del SI de cantidad de sustancia. Un mol contiene exactamente 6.022 140 76 × 1023 entidades elementales. Este número es el valor numérico fijo de la constante de Avogadro, NA, cuando se expresa en la unidad mol-1 y se denomina número de Avogadro. La cantidad de sustancia, símbolo n, de un sistema es una medida del número de entidades elementales especificadas. Una entidad elemental puede ser un átomo, una molécula, un ion, un electrón, cualquier otra partícula o grupo específico de partículas.

 

La candela, símbolo cd, es la unidad del SI de intensidad luminosa en una dirección dada. Se define tomando el valor numérico fijo de la eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 × 1012 Hz, Kcd, para ser 683 cuando se expresa en la unidad lm W-1, que es igual a cd sr W-1, o cd sr kg-1 m-2 s3, donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en términos de h, c y ∆ KCs.

 

México presente

 

México es uno de los 60 países firmantes del Tratado del Metro, cuya adhesión fue formalizada en 1890. Más de 100 años después, participa y atestigua la revisión del SI, con la presencia del Dr. Víctor José Lizardi Nieto, director del Centro Nacional de Metrología (Cenam) y del Dr. Ismael Castelazo Sinencio, director general de servicios tecnológicos del Cenam, miembro del CIPM y tercer mexicano en ocupar este último sitio.

 

A decir del Dr. Castelazo, la resolución de la 26ª CIPM «es el cambio más importante que se ha hecho del SI desde su fundación. Nunca habíamos presenciado un momento en el que se redefinieran cuatro unidades de base. Especialmente esta modernización del SI, que está ligando a las unidades base con constantes universales de la Naturaleza, es de gran importancia pues nos dota de un sistema robusto útil para el desarrollo de los avances científicos que se esperan en el futuro previsible».

 

La importancia histórica de la revisión del SI, si bien impacta a todas las esferas de la sociedad mundial, su difusión resulta compleja en un mundo en el que la tecnología ha hecho de las mediciones un acto natural, tan cotidiano que poco nos detenemos en reflexionar su sustento. Al respecto, el también presidente del Comité Consultivo de Longitud (CCL) del CIPM, muestra su preocupación al compartir el sentir del responsable de difusión del CIPM: «nos comentaba que era difícil resaltar la importancia de lo que está pasando y al mismo tiempo tranquilizar al mundo en el sentido de que las mediciones, el tamaño del kilogramo, del metro, no van a cambiar».

 

Miembro del Instituto de Física del Reino Unido, el Dr. Castelazo asegura que el trabajo realizado durante la reunión en Versalles refleja «el espíritu que de los iniciadores del Sistema Métrico Decimal en la Revolución Francesa. En ese momento, hubo un gran cambio para tratar de evitar la relación que había entre las unidades con características locales, como el pie del rey. El Sistema Métrico Decimal fue el primer gran paso, hoy vivimos un cambio tan fundamental como el que hubo en aquel entonces. Primero, definimos nuestras mediciones en términos del tamaño de la Tierra, ahora, las relacionamos con las propiedades del Universo, de la Naturaleza».

 

Adicional al logro internacional alcanzado, el Dr. Castelazo presentó su informe ante la CIPM el 14 de noviembre pasado, en el que anunció que el CCL aceptó una realización secundaria del metro para mediciones nanométricas (separación reticular d220 del silicio), la cual mejorará la confiabilidad y reproductibilidad de las mediciones nanométricas.

Cronología - Pasos clave en la historia del Sistema Internacional de Unidades (SI)

Fuente: Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM)

17 de abril de 1795: La ley del 18 del germinal del año III (Calendario Republicano Francés- día18 del séptimo mes) estableció el Sistema Métrico en Francia.

 

22 de junio de 1799: Dos estándares de platino, que representaban el metro y el kilogramo, fueron depositados en los Archivos Nacionales de Francia.

 

1832: Carl Friedrich Gauss introdujo un sistema de unidades «absolutas», basado en el milímetro, el miligramo y el segundo.

 

1 de septiembre de 1869: El emperador Napoleón III aprobó la creación de una comisión científica internacional para propagar el uso de la medición métrica para facilitar el comercio, la comparación de la medición entre Estados y la creación de un prototipo internacional del metro.

 

16 de noviembre de 1869: El gobierno francés invitó a los países a unirse a la Comisión Científica Internacional.

 

1870: La primera reunión de la recién formada Comisión Internacional del Metro.

 

1872: El comité de investigación preparatoria de la Comisión Internacional del Metro tomó la decisión de hacer copias de los prototipos originales depositados en los Archivos de la República, los cuales demoraron 16 años.

 

1874: La Asociación Británica para el Avance de la Ciencia introdujo el Sistema CGS (centímetro, gramo y segundo).

 

20 de mayo de 1875: La firma de la Convención del Metro, por 17 países, estableció la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM), para discutir y aprobar los cambios propuestos al sistema de unidades; el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM), para supervisar la discusión y las recomendaciones sobre el sistema de unidades; y la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), para proporcionar la administración de todo el sistema y para albergar los prototipos internacionales estándar. El sistema de unidades acordado fue similar al CGS, pero se llamó MKS con las unidades base del metro, el kilogramo y el segundo. El metro y el kilogramo estaban representados por artefactos físicos y el segundo, por el segundo astronómico.

 

1889: La primera CGPM sancionó los nuevos prototipos internacionales del metro y el kilogramo.

 

1901: Giovanni Giorgi propuso a la Associazione Elettrotecnica Italiana un nuevo sistema que permite la combinación de las unidades fundamentales: el kilogramo, el metro y el segundo con una cuarta unidad de naturaleza eléctrica.

 

1921: Revisión de la Convención del Metro, que extiende las actividades del BIPM a nuevos campos de la metrología.

 

1927: El Comité Consultivo para la Electricidad (CCE, ahora Comité Consultivo para la Electricidad y el Magnetismo [CEPM]) fue creado por el CIPM. Fue el primer comité de este tipo.

 

1935: La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) adoptó el Sistema Giorgi conocido como Sistema MKS.

 

1939: El CCE recomendó la adopción del Sistema MKS basado en el metro, el kilogramo y el segundo (siguiendo la discusión dentro de la IEC y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada [IUPAP]).

 

1946: Como primer paso, planeado en 1933, el CIPM aprobó el Sistema MKS (metro, kilogramo y segundo) para reemplazar el antiguo sistema de unidades eléctricas, denominado «Sistema Internacional».

 

1948: La 9ª CGPM solicitó al CIPM que iniciara una encuesta internacional, cuyo resultado se utilizaría para formular recomendaciones para un único sistema práctico de unidades de medida, apto para su adopción por todos los países.

 

1954: El CGPM aprobó la introducción del ampere, el kelvin y la candela como unidades base para la corriente eléctrica, la temperatura termodinámica y la intensidad luminosa, respectivamente.

 

1960: La 11ª CGPM adoptó el nombre de Sistema Internacional de Unidades (SI) para el sistema basado en seis unidades base: el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin y la candela. La 11ª CGPM también adoptó una nueva definición del metro.

 

1967: El segundo fue redefinido como un «segundo atómico». La nueva definición dependió, en adelante, de las propiedades de un átomo de cesio.

 

1971: La 14 ° CGPM agregó una nueva unidad al SI: el mol como unidad para la cantidad de sustancia.

 

1979: La candela fue redefinida en términos de una radiación monocromática.

 

1983: Por primera vez, la definición de una unidad base del SI se basó en una constante fundamental: la velocidad de la luz. El metro fue, en adelante, la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante una fracción específica de segundo.

 

1990: Se adoptaron nuevas convenciones prácticas basadas en fenómenos cuánticos para el ohm y el volt.

 

16 de noviembre de 2018: Se redefinen cuatro unidades base del SI: cada definición se vinculará a una constante de la Física. Las convenciones de 1990 ya no serán necesarias y serán abolidas.

 

20 de mayo de 2019: El Día Mundial de la Metrología marcará la entrada en vigencia oficial del SI revisada y acordada en la 26ª CGPM.

 

Ser miembro del CIPM es un trabajo: Dr. Ismael Castelazo Sinecio

Julieta Espinosa

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