Buscando estándares eternos e inmutables

Un domingo por la tarde, la Sra. Kim salió de compras con su familia. Como la temperatura era de -2 ℃, trajeron chaquetas de invierno y subieron al auto. El GPS indicó que tardaría unos 20 minutos en llegar al supermercado que estaba a unos 5 km de distancia.

Primero, fue a comprarle zapatos a su esposo. Él se probó zapatos de 275 ㎜ y 280 ㎜ y eligió los de mayor tamaño. En la tienda de comestibles, compraron 600 g de carne de res para la cena, dos botellas de leche de un litro (1 L) con descuento y una caja de 5 ㎏ de manzanas.

Temperatura, distancia, peso y diversos tamaños… Estamos rodeados de incontables números durante toda nuestra vida. ¿Cómo surgieron estas unidades de medida?

Unidades, el barómetro de la civilización

A medida que la humanidad comenzó a cultivar y surgió la civilización, aumentó la necesidad de las unidades. El desarrollo de pesos y medidas fue necesario en el proceso de medición de áreas agrícolas y distribución de cultivos cosechados. Para un comercio justo, debían conocer el volumen o peso de los objetos y medir con precisión los materiales para fabricar productos como ropa y construir edificios.

Las primeras unidades de medida se basaban en partes del cuerpo humano. En la antigua Grecia, la longitud de un pie se denominaba “pous” y el ancho de los dedos se llamaba “daktylos”; un pous se dividía en 16 daktylos o dígitos. En Japón, estas unidades de medida basadas en partes del cuerpo humano o las habilidades de una persona se llamaban “身体 尺” (shintaishaku). Shaku (尺) era la extensión desde la punta del pulgar hasta la punta del índice separados, y el codo egipcio se basaba en la longitud desde la punta del dedo medio hasta el codo. En el mundo occidental, el dígito era la unidad básica más pequeña, y tenía el ancho de un dedo.

Sin embargo, es difícil unificar las unidades de medida basadas en el cuerpo porque todos tienen diferentes tamaños corporales. Para resolver este problema, Egipto estableció un codo estándar, llamado codo real, que se basaba en la longitud del antebrazo del faraón, y lo utilizó para construir las pirámides.

Los granos también se utilizaron como unidad de medida porque son sólidos y fáciles de obtener. En el siglo iii a. C., la dinastía Qin utilizó la longitud de una flauta de bambú llamada huangzhong como unidad de medida estándar; cada una tenía la longitud de 90 granos de mijo alineados. Utilizaron el mijo como unidad de medida. La unidad más pequeña, “chun” (寸), era la longitud de 10 granos de mijo alineados.

También se utilizaron granos para pesar. Los romanos decidieron que 1728 semillas de algarrobo pesarían una libra romana y 144 semillas de algarrobo pesarían una onza romana. De aquí proviene el término “quilate”, la unidad de medida original para pesar los diamantes. En unidades imperiales británicas, una libra equivalía a 7000 granos de cebada. Sin embargo, los granos no eran apropiados para usarse como unidad estándar de medida porque sus pesos y longitudes variaban según las condiciones climáticas y sus tamaños diferían entre sí.

Esfuerzos para la unificación de unidades

El 23 de julio de 1983, el sistema de advertencia de nivel bajo de combustible resonó en un avión Boeing 767 Air Canada que se dirigía a Edmonton. Al final, el motor se detuvo y el piloto apenas hizo un aterrizaje de emergencia. Este accidente fue causado por un mero error en las unidades de medida. Los pilotos calcularon la cantidad de combustible necesario en kilogramos, pero el personal del aeropuerto alimentó el avión en libras. En consecuencia, el avión volaba con menos de la mitad del combustible requerido.¹

1. 1 L = 0,8 ㎏, 1,77 libras

En septiembre de 1999, la sonda Mars Climate Orbiter de la NASA se perdió cuando entró en la atmósfera de Marte. Esto también se debió a la confusión en las unidades de medida. La NASA usa el sistema métrico de metros y kilogramos, pero la compañía que construyó la nave espacial usó el sistema anglosajón de unidades basado en yardas y galones. Incluso al poner la nave espacial en órbita en Marte, continuaron usando unidades no uniformes e intercambiaron diferentes datos absurdos, lo que provocó el accidente.

En todas las épocas, el sistema disociado de unidades ha causado confusión. En Francia se utilizaron más de 250 000 unidades de medida diferentes durante el siglo xviii, porque cada lord las establecía a su manera. Esto provocó problemas de comunicación y comercio, y los lores pudieron recaudar impuestos a su propia voluntad. Estos inconvenientes ocurrieron tanto en oriente como en occidente. El chi (尺) se basó originalmente en el tramo medido por una mano humana desde la punta del pulgar hasta la punta del índice, pero su longitud estándar se hizo más larga con el tiempo. Cuando el gobierno de Meiji en Japón lo adoptó en 1875, su longitud era de 30 centímetros. Esto también sucedió a medida que los gobernadores continuaron aumentando su longitud para recaudar más impuestos.

Los científicos soñaban durante mucho tiempo con desarrollar unidades científicas que fueran consistentes y fáciles de usar para todos. El arquitecto y astrónomo inglés del siglo xvii, Christopher Wren, intentó determinar la unidad estándar de longitud por medio de la oscilación del péndulo. Propuso un nuevo sistema basado en la longitud de la varilla cuando una masa suspendida de la varilla oscila de un extremo a otro por segundo. Se discutieron diversos medios como la capilaridad² y las longitudes de onda de la luz, pero finalmente se llegó a un acuerdo sobre la base de la circunferencia de la Tierra como unidad estándar de medida.

2. Fenómeno en el que se produce la ascensión de líquidos a través de un tubo o cilindro estrecho en el agua o mercurio; el nivel de líquido en el capilar está por encima o por debajo del nivel de líquido fuera del capilar.

Así fue como se desarrolló el sistema métrico, un sistema de unidades de medida. El metro, derivado de la palabra griega “metrón” que significa “medida”, se definió originalmente como una diez millonésima parte de la distancia desde el ecuador hasta el Polo Norte, medida a través de París, Francia. Los astrónomos franceses Delambre y Méchain emprendieron una expedición para medir la distancia. El 10 de diciembre de 1799 se completó el primer sistema métrico en Francia y el metro se estableció como la medida estándar nacional. También hicieron reglas de un metro de largo y las distribuyeron a cada ciudad.

Napoleón, que conquistó la mayor parte de Europa, difundió el sistema métrico durante el siglo xix. El sistema métrico comenzó a utilizarse en un rango más amplio cuando se firmó la Convención del Metro en Francia el 20 de mayo de 1875 por representantes de 17 naciones, como Estados Unidos, Alemania, Rusia y Brasil.

Modificación de unidades

Estrictamente hablando, la Tierra no es una esfera perfecta porque tiene un abultamiento ecuatorial. Entonces, varía su circunferencia según el lugar de medición. Esto significa que la longitud del metro, en relación con la circunferencia de la Tierra, podía variar. Al darse cuenta de ello, en la primera Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) en 1889, la comunidad científica definió la longitud de un metro basándose en un cilindro hecho con una aleación de platino e iridio, elementos químicos más estables.

Sin embargo, por más que se hacen finamente, los artefactos cambian ligeramente de acuerdo con el entorno circundante, como la temperatura y la humedad; pueden expandirse, contraerse u oxidarse. El sistema métrico no es una excepción. Después de múltiples investigaciones, los científicos redefinieron el metro usando átomos en 1960.³

3. Igual a 1 650 763,73 longitudes de onda de la línea de emisión naranja-roja en el espectro del átomo de criptón-86 en el vacío.

No se detuvieron aquí, y en 1983 definieron el metro con referencia a la característica de la luz que no cambia. La definición establece que el metro es la longitud del camino recorrido por la luz de helio-neón estabilizada con yodo en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo. Aquí, el “segundo” ⁴ se basa en las vibraciones de 133 átomos de cesio que no cambian. Irónicamente, todavía es imposible determinar la longitud de un metro que satisfaga la nueva definición porque el vacío perfecto no se puede lograr artificialmente. La comunidad científica utiliza en el aire un láser de gas helio-neón para medir la longitud de un metro.

4. Un segundo es la duración de 9 192 631 770 oscilaciones del isótopo 133 del átomo de cesio.

Hay siete unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades (SI): el metro (m) para medir la longitud, el kilogramo (㎏) para la masa, el segundo (s) para el tiempo, el amperio (A) para la corriente eléctrica, el kelvin (K) para la temperatura, el mol (mol) para la cantidad de sustancia y la candela (cd) para la intensidad luminosa. Las definiciones de estas unidades se han modificado y cambiado constantemente para convertirse en estándares inmutables, con el desarrollo de los avances en ciencia y tecnología.

El kilogramo fue la única de las unidades del SI en ser definida por un prototipo físico, cuya definición no cambiaba. El Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK) es un cilindro fabricado con una aleación de 90 % de platino y 10 % de iridio, con un diámetro y altura de 39 ㎜. Este cilindro se encuentra bajo tres campanas de vidrio protector, en un ambiente con temperatura y humedad controladas, y la Oficina Internacional de Pesas y Medidas ubicada cerca de París lo inspecciona minuciosamente cada año.

Sin embargo, el Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK) no pudo evitar ser redefinido con el paso del tiempo. Hubo una brecha cada vez mayor en la masa entre el IPK y sus copias almacenadas en 23 países. En 2007, la diferencia de masa entre el IPK y sus copias fue de 100 ㎍⁵.

5. Un microgramo (㎍) equivale a la millonésima parte de un gramo.

En consecuencia, la Conferencia General de Pesas y Medidas acordó redefinir el kilogramo en términos de la constante de Planck (h)⁶, una constante física fundamental, eterna e inmutable. El kilogramo, la unidad del SI de masa, se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Planck (h) como 6,62607015×10−34 cuando se expresa en la unidad julio segundo (J·s), que es igual a ㎏·㎡·s^-1.

6. La constante de mecánica cuántica que relaciona la energía de un fotón con su frecuencia.

Después de varios años de investigación utilizando la balanza de Kibble, una convergencia de tecnología de vanguardia, se fijó el valor de la constante de Planck⁷. A través de esto, el kilogramo fue redefinido en la 26.^a Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada en Versalles, Francia, el 16 de noviembre de 2018, aproximadamente 130 años después de que se creara el Prototipo Internacional del Kilogramo en 1889. A partir del 20 de mayo de 2019, Día Mundial de la Metrología, se adoptó la nueva definición del kilogramo.

7. Constante de Planck (h) = 6,62607015×10^-34 J·s (㎏·㎡/s)

¡Unidades que nunca cambien independientemente del tiempo y el espacio, en cualquier lugar del universo! Todavía existe un deseo constante en la humanidad de establecer estándares invariables, a través de varios intentos e investigaciones. Lo impresionante es que los estándares básicos de medición han cambiado de artefactos a objetos naturales de acuerdo con los avances de la ciencia. El tiempo, conocido como “estándar de estándares”, se define en función de la luz.

Los estándares eternos e inmutables no pueden ser fácilmente determinados o establecidos por las habilidades humanas. Solo las leyes de la naturaleza, que Dios dio a todos en la creación, son las normas eternas e inmutables.

“¿Dónde estabas tú cuando yo fundaba la tierra? Házmelo saber, si tienes inteligencia. ¿Quién ordenó sus medidas, si lo sabes? ¿O quién extendió sobre ella cordel?” Job 38:4-5

“¿Descubrirás tú los secretos de Dios? ¿Llegarás tú a la perfección del Todopoderoso? Es más alta que los cielos; ¿qué harás? Es más profunda que el Seol; ¿cómo la conocerás? Su dimensión es más extensa que la tierra, y más ancha que el mar.” Job 11:7-9

Referencias

Crease, Robert P. World in the Balance: The Historic Quest for an Absolute System of Measurement (La búsqueda histórica de un sistema absoluto de medición). Nueva York, NY: W. W. Norton & Company, 2012.

Tadahiko, Hoshida. 별걸 다 재는 단위 이야기 (Historia de la unidad de observación astronómica), (edición coreana). Corea: About Book, 2016.

Kim, Il-seon. 단위로 읽는 세상 (Lea el mundo a través de unidades). Corea: Editorial Gimm-Young, 2017.