El origen del Sistema Internacional de unidades

Durante mucho tiempo, cada vez que se viajaba se tenían que usar diferentes conversiones para interpretar las medidas (en realidad, como todavía hacemos con la moneda cuando salimos de la Comunidad Económica Europea).

Las medidas no solo variaban de un país a otro, sino también de una región a otra dentro de un mismo país. Se estima que solo en Francia, antes de la Revolución se utilizaban 800 nombres de unidades de medida y detrás de esas medidas se escondían en torno a 250 000 valores distintos.

Este artículo tiene su versión en audio en el Episodio 4 del Podcast Radical Barbatilo, a partir del 1:20.

Por ejemplo, la leña se vendía por cuerdas; el carbón vegetal por cestos, pero si el carbón era de piedra, por sacos; la madera para construir, por vigas; la fruta para sidra en barricas, la cal también en barricas, pero esa barrica tenía otro valor; la avena por picotines; el vino y la cerveza por pintas, galones, etc.

Esta gran variedad de unidades, además de inconsistente, daba lugar a confusiones. Era un obstáculo para la comunicación y para el comercio, además de un vehículo para la corrupción.

Durante la Revolución Francesa el lema “libertad, igualdad y fraternidad” fue abrazado no solo en el plano político o social, sino también en el científico. Entre otras cosas, fue la oportunidad perfecta para crear un sistema de medición único. Para ello se encomendó a los científicos franceses más preeminentes de la época, que no había pocos, que idearan uno.

Al principio fue un proyecto utópico, con estos científicos imaginando un sistema coordinado (o compartido) de pesos y medidas que uniría al mundo, permitiendo el libre intercambio de bienes e información. Pero, dada la trascendencia que tuvo la revolución en la historia de la humanidad, ¿cuántas cosas había en aquel mundo, en aquella época, que parecían inalcanzables, pero luego se llevaron a cabo?

Tenían claro que la definición de las unidades debía basarse única y exclusivamente en la Tierra, porque solo así podría ser “en todos los pueblos, en todo momento”, como rezaría posteriormente en el lema del sistema métrico que nació durante la Revolución.

El sistema métrico decimal es el que hoy se usa en todo el mundo, a excepción de EEUU, Liberia y Myanmar. Un sistema métrico cuyas unidades básicas son el metro y el kilogramo y que, al multiplicar o dividir por 10, se obtienen las versiones mayores y menores, es decir, los múltiplos y submúltiplos de cada unidad. De esta forma, los cálculos son más simples, tan solo moviendo la coma, no como en sistemas anteriores, que requerían multiplicar o dividir por números más incómodos como el 12, 14, 16 o 112.

Es sistema métrico decimal es simple y elegante a partes iguales, como casi todo lo que ocurre en ciencia. Y supuso tal avance que el mismísimo Lavoisier, padre de la Química moderna, dijo: “Nada más grande ni más sublime ha salido de las manos de los hombres”.

La primera unidad que se definió fue el metro, que formó la base de nuestra economía moderna y condujo a la globalización. Inicialmente, se definió como la diezmillonésima parte de la distancia del polo norte hasta el ecuador. La medida surgió de una expedición en la que, usando el proceso matemático de la triangulación, midieron la distancia entre Dunquerque y Barcelona, pasando por París (con el Panteón como estación geodésica central), y luego extrapolando al polo norte y al ecuador. Una expedición que duró siete años y se cuenta de forma magistral en la novela de Ken Alder “La medida de todas las cosas”.

Para que la población se familiarizara con la nueva medida, se distribuyeron folletos, carteles y tablas de conversión. Además, se instalaron en los lugares más concurridos de París varios patrones del metro grabados en mármol. Todavía se conservan dos de ellos, uno en la plaza Vendôme (en la fachada del ministerio de Justicia) y el otro en el Senado (en los jardines de Luxemburgo).

En 1799 se construyó una barra de platino que sería el primer prototipo internacional del metro, que se encuentra en el Museo de Artes y Oficios, de París. Napoleón, entonces cónsul de la República, aunque reticente al principio terminó reconociendo que “las conquistas vendrán y se irán, pero este trabajo perdurará”. Y tenía cierta razón, porque el metro como unidad ha durado hasta nuestros días, sigue vigente, pero el estándar de platino no.

La primera definición del kilogramo, también decidida durante la revolución francesa, especificaba que era la masa de 1 L de agua destilada a 1 atm de presión y a 3,98 ºC, que es la temperatura a la cual la densidad del agua es máxima. Esta definición era complicada de realizar con exactitud, porque la densidad del agua depende de la presión, que depende a su vez de la altura, que también depende de una definición estable del metro.

Para evitar estos problemas, el kilogramo fue redefinido también mediante un objeto. Desde 1889 hasta hace, como quien dice, dos días (hasta 2019), el kilogramo se ha definido como la masa del prototipo internacional del kilogramo (o IPK, por sus iniciales), que es un artefacto cilíndrico, de 39 mm de altura y de diámetro y fabricado de un 90% de platino y 10% de iridio (una de las aleaciones más estables que se conocen).

El IPK se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, que es el organismo que coordina mundialmente la metrología y está ubicado a las afueras de París. Se guarda en una bóveda subterránea, bajo tres campanas selladas y al vacío, con tres llaves diferentes en poder de tres personas diferentes y bajo condiciones de clima controlado. Es decir, se trata con un cuidado reverencial.

Además, se realizaron seis copias oficiales y otras tantas que se distribuyeron por todo el mundo, que se han estado utilizando para calibrar las balanzas que se usan en todos los sectores de la sociedad, desde laboratorios y fábricas, hasta supermercados. En España tenemos dos copias.

Comparar con un objeto físico es una gran opción, siempre y cuando los prototipos sean realmente inertes. Sin embargo, durante los pesajes ceremoniales que han tenido lugar cada cierto tiempo, cuando se envían copias de referencia de todo el mundo para compararlo con el IPK, a pesar de su exhaustivo cuidado, las pruebas muestran que los prototipos sí cambian. Y aún hay más: cuando se ha ido comparando el IPK con sus seis copias hermanas se ha encontrado que ha perdido en los últimos 100 años alrededor de 50 microgramos, aproximadamente lo que pesa una sola pestaña.

Dado que el IPK, por definición, tiene 0 de incertidumbre al ser un prototipo, técnicamente no puede ganar ni perder peso. Incluso sería más correcto decir que el mundo se ha vuelto más pesado. En cualquier caso, es algo inaceptable porque no podemos usar como patrón de medida algo que varía con el tiempo.Esto no socava gravemente la legitimidad del orden métrico internacional, pero sí estropea el ambiente de precisión de la métrica. En investigación, estas fluctuaciones son intolerables.

Las unidades de medida deben ser consistentes, porque son la base del método científico. Si las unidades varían no se pueden reproducir los experimentos, los resultados no van a ser fiables y tampoco lo va a ser nuestra compresión del mundo.

A medida que el sistema métrico decimal iba siendo adoptado por más naciones y se agregaban nuevas unidades, los científicos impulsaron redefinirlas en base a constantes físicas, evitando así la dependencia de un objeto físico, sujeto a riesgos de desgaste. Sería como basar las unidades en el tejido del universo. Esto llevó a la creación del Sistema Internacional de unidades (SI) en 1960, ese sistema con el que los profesores de ciencias les damos la lata continuamente a los alumnos.

Las constantes físicas de la naturaleza, que son cantidades numéricas fijas y universales, son las que forman la base de la física moderna. Por citar algunos ejemplos, están la velocidad de luz, que es una cantidad muy próxima a los 300 000 km/s; la constante de gravitación universal, que determina la intensidad de la fuerza de atracción gravitatoria; la constante de Coulomb, que es lo mismo pero para las fuerzas eléctricas; el número de Avogadro, la constante de Boltzmann o la constante de Planck.

El metro fue la primera unidad que se fijó por primera vez en una constante, en concreto la velocidad de la luz, siendo redefinido en 1960 y, por último, en 1983, cada vez, con una incertidumbre menor a la vez que se calculaba la velocidad de la luz de manera más precisa.

El kilogramo, por su parte, ha sido la última unidad en estar definida en términos de un artefacto material, el IPK. Fue hasta hace bien poquito, hasta 2019. Y recibe especial atención porque sustenta gran parte del sistema internacional tal y como está estructurado actualmente. De una forma o de otra las demás unidades dependen del kilogramo. Por ejemplo, el Newton se define como la fuerza necesaria para acelerar un kilogramo 1 m/s2. A su vez, el pascal, la unidad de presión, se define en términos del newton. O el Julio, que se define como el gasto energético cuando un newton actúa en un metro. Una cadena de dependencia del kilogramo que sigue a muchas otras unidades del SI.

Redefinir el kilogramo ha supuesto, durante más de 30 años, un desafío tecnológico internacional. Han llegado a llamarlo como el experimento más difícil del mundo tras el descubrimiento del bosón de Higgs.

En noviembre de 2018, en la 26ª conferencia general de pesos y medidas, celebrada en Versalles, los 60 estados miembros, entre los que se encuentra España, votaron de forma unánime a favor de redefinir el kilogramo en función de la constante de Planck. Y aunque parezca exagerado es la mayor revolución en la medición desde la Revolución Francesa.

Estos cambios no tienen ninguna implicación en nuestro carro de la compra, no se notará en el día a día. Pero es muy importante en disciplinas científicas que necesitan unos niveles muy altos de precisión, y de la que nosotros de una u otra forma nos beneficiamos.

Además del kilogramo, en 2019, también se redefinieron a partir de constantes universales el amperio, el mol y el kelvin, las unidades de intensidad de corriente, cantidad de sustancia y temperatura, respectivamente. Con estas redefiniciones, la edad de los artefactos físicos y sus imperfecciones asociadas se han dejado para siempre. Se están poniendo los cimientos para una nueva ciencia, una con menos incertidumbre. Es historia de la ciencia.