El Sistema Métrico

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Del Sistema Métrico al Sistema Internacional de Unidades

La medición desempeña un papel esencial. El acto de medir ha estado siempre en la raíz de toda actividad humana. Sustenta el enfoque científico, pero también ha tenido una fuerte dimensión social y societaria desde la antigüedad. Nuestra relación con la medición es un excelente espejo de las sociedades humanas, todas las cuales han establecido sus propios sistemas de medición.

Medir es comparar una cantidad desconocida con una cantidad de la misma naturaleza que sirve de referencia. Para medir, necesitamos unidades, es decir, cantidades definidas y adoptadas por convención y con las que se pueden comparar cantidades de la misma naturaleza.

Durante mucho tiempo, la medición se refería al cuerpo humano, al del faraón, al del héroe mitológico, al del señor o al del rey. El patrón natural, como el sol, para medir el tiempo, y el patrón antropomórfico (pie, codo, pulgar, etc.) para medir la longitud, han servido durante mucho tiempo como puntos de referencia. La mayoría de estas unidades, aunque puedan ser universales por naturaleza, sólo son aplicables a nivel local, ya que difieren de una provincia a otra, e incluso de una ciudad a otra. Con la aparición de la ciencia experimental en el siglo XVI y el crecimiento del comercio, se produjeron en Europa varios intentos de unificar las unidades de medida a escala local o internacional.

En Francia, en la época de la Revolución Francesa, los cahiers de doléances de los tres órdenes (el clero, la nobleza y el Tercer Estado) pedían encarecidamente la unificación de pesos y medidas en todo el reino. En aquella época, existían no menos de ochocientas unidades diferentes. Los revolucionarios, muchos de ellos científicos, se propusieron acabar con esta confusión, incompatible con la justicia social, introduciendo el sistema métrico decimal. El 8 de mayo de 1790, la Asamblea Constituyente adoptó el principio de la normalización. La idea apoyada por Talleyrand (1754-1838) de basar la unidad de longitud en el péndulo que bate el segundo fue rechazada con el argumento de que su longitud variaba según el lugar en el que uno se encontrara. En su lugar, se adoptó una definición basada en el arco del meridiano terrestre, lo que hizo que la unidad de longitud elegida fuera universal y aceptable para todos los países. El 26 de marzo de 1791, la Asamblea Nacional, a propuesta de la Academia de Ciencias, adoptó un decreto por el que se establecía un sistema de pesos y medidas basado en una unidad básica de longitud, el metro, definido como igual a la diezmillonésima parte de un cuarto del meridiano terrestre. Este sistema se conoce como “métrico” porque se basa enteramente en el metro. Las unidades de superficie y volumen se determinan a partir del metro. El kilogramo, la unidad de masa (conocida entonces como “peso”), equivalía a la masa de un decímetro cúbico de agua a la temperatura del hielo en fusión.

Esto marcó el inicio de la epopeya del metro: los astrónomos Pierre Méchain (1744-1804) y Jean-Baptiste Delambre (1749-1822), autorizados por decreto en 1791, se dedicaron a medir el arco del meridiano entre Dunkerque y Barcelona, pasando por el Observatorio de París, al año siguiente. Otros químicos, continuando los trabajos de Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794, guillotinado), determinaron la masa de un volumen conocido de agua.

Tras la adopción de la ley del 18 Año Germinal III (7 de abril de 1795), dos patrones de platino que representaban el metro y el kilogramo fueron presentados al cuerpo legislativo y depositados en los Archivos Nacionales el 22 de junio de 1799. Esta ley y este depósito pueden considerarse como el primer gran paso hacia el establecimiento del futuro Sistema Internacional de Unidades.

El término sistema métrico decimal se utiliza porque las subunidades son divisiones decimales de la unidad principal. Así, el decímetro (dm) equivale a la décima parte de un metro, y el decámetro (dam) a 10 metros. Aunque el sistema métrico se introdujo por primera vez en Francia, sus comienzos fueron caóticos, marcados por decisiones a menudo contradictorias. Durante varios años, la difusión del sistema métrico chocó con las costumbres ancestrales, y no fue hasta la ley del 4 de julio de 1837, que entró en vigor el 1 de enero de 1840, cuando se hizo obligatorio.

El sistema métrico se extendió gradualmente a lo largo del siglo XIX. Con la revolución industrial, se hizo patente la necesidad de medidas fiables y comunes en Europa. En 1867, la segunda conferencia de la Asociación Geodésica Internacional para la medición de grados en Europa, reunida en Berlín, subrayó la importancia de este sistema: el trabajo de los geodestas no podía detenerse en las fronteras y las mediciones comunes eran esenciales para la elaboración de mapas y las grandes operaciones de triangulación. La asociación recomendó la construcción de un nuevo metro prototipo europeo y pidió la creación de una “oficina europea internacional de pesos y medidas”. Esta propuesta fue apoyada por las Academias de Ciencias de París y San Petersburgo.

En 1869, Napoleón III propuso la creación de una comisión científica internacional para propagar el uso general del sistema métrico, facilitar los intercambios y comparaciones de medidas entre estados y proceder a la construcción de un metro internacional. Esto otorgó a Francia un papel protagonista. Los trabajos de la Comisión Internacional del Metro (1870-1872) condujeron a la fabricación de nuevos prototipos métricos y a la firma de la Convención del Metro en París el 20 de mayo de 1875 por los representantes de diecisiete Estados. Al establecer el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), este tratado fue el acto fundador de la internacionalización de la metrología.

Inicialmente, la BIPM recibió el encargo de producir prototipos internacionales del metro y el kilogramo, las dos unidades fundamentales del sistema métrico decimal. A continuación, desarrolló y distribuyó los prototipos nacionales y veló por la adopción del sistema a escala internacional. El sistema métrico se convirtió así en el primer sistema de unidades de medida adoptado universalmente. Se caracteriza por un conjunto de unidades coherentes para medir la longitud, el área, el volumen, la capacidad y la masa.

La 1ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) se celebró en 1889, cien años después de la Revolución Francesa. En esta reunión, los prototipos internacionales del metro y del kilogramo, elaborados a partir de los antiguos patrones fundamentales del siglo XVIII pero con un material mejor (una aleación de platino e iridio, llamada platino iridio) – y, en el caso del metro, una forma más adecuada – fueron validados y constituyen en adelante la definición del metro y del kilogramo. Las normas nacionales se distribuyeron a los Estados. Este fue el primer paso hacia una verdadera difusión mundial del sistema métrico.

Con los importantes progresos realizados en los campos de la física y la metrología a lo largo del siglo XIX, varias iniciativas para crear sistemas de unidades basados en aplicaciones del sistema métrico precedieron y acompañaron la creación del BIPM y constituyeron pasos hacia el futuro Sistema Internacional de Unidades. Ya en 1832, el matemático alemán Carl Friedrich Gauss (1777-1855) fue el primero en medir el campo magnético de la Tierra y, con este fin, en establecer un sistema de unidades de medida para una amplia gama de magnitudes físicas; propuso tres unidades fundamentales (longitud, masa y tiempo) o “unidades absolutas”: el milímetro, el miligramo y el segundo. Gauss y el físico alemán Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) utilizaron combinaciones de estas mismas unidades para medir los fenómenos eléctricos y magnéticos.

A finales del siglo XIX, con el desarrollo de la telegrafía eléctrica, la industria, los motores y los sistemas de iluminación, la electricidad entró en la era industrial y comercial. Los británicos, cuya red telegráfica se había extendido por todo el mundo gracias a su imperio colonial, habían tomado una delantera considerable en el campo de la electricidad. En la década de 1860, los físicos británicos James Clerk Maxwell (1831-1879) y William Thomson (1824-1907) – el futuro lord Kelvin – ampliaron los trabajos de Gauss y Weber demostrando que era posible medir todas las magnitudes eléctricas y magnéticas utilizando las tres magnitudes mecánicas. En 1874, a instancias suyas, la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS, actualmente BA) introdujo el sistema CGS, un sistema métrico de unidades físicas, llamado así porque se basa en tres unidades -el centímetro (unidad de longitud), el gramo (unidad de masa) y el segundo (unidad de tiempo)- que pueden utilizarse para expresar magnitudes mecánicas.

El uso de unidades diferentes en los distintos países plantea problemas prácticos. Era necesaria una unificación internacional de las unidades eléctricas y magnéticas. El primer Congreso Internacional de Electricidad se celebró en París en 1881 y condujo a la adopción del sistema CGS y a la definición de las llamadas unidades prácticas “absolutas” derivadas de las unidades CGS correspondientes. Sin embargo, en 1893, el Congreso Internacional de Electricidad de Chicago adoptó definiciones para el ohmio, el voltio y el amperio basadas en representaciones materiales y no teóricas. En 1908, la Conferencia Internacional de Londres confirmó estas definiciones del “amperio internacional” y el “ohmio internacional”. Se apartaron de los principios básicos del sistema CGS y de las unidades prácticas para la electricidad definidas anteriormente. Este sistema denominado “internacional” entra en conflicto con los principios del sistema métrico decimal. Como resultado, durante el siguiente medio siglo coexistieron dos sistemas: el sistema CGS “absoluto”, utilizado por los físicos, y el sistema “internacional”, un sistema práctico derivado del sistema absoluto y utilizado por los ingenieros. Esto provocó considerables dificultades a la hora de convertir los valores numéricos de las magnitudes o constantes medidas de un sistema al otro.

En 1901, el ingeniero italiano Giovanni Giorgi (1871-1950) demostró que era posible fusionar las tres unidades mecánicas de metro, kilogramo y segundo -que formaban el llamado sistema MKS- con el sistema práctico de unidades eléctricas para formar un único sistema coherente. Por ello propuso añadir una cuarta unidad al sistema MKS, de naturaleza eléctrica, el amperio o el ohmio, por ejemplo.

En 1921 se revisó la Convención del Metro, lo que permitió al BIPM ampliar su campo de competencias para incluir unidades eléctricas y fotométricas. Esto supuso un paso más hacia la adopción de unidades comunes a través de un sistema reconocido internacionalmente. En 1927, el CIPM creó su primer Comité Consultivo: el Comité Consultivo de Electricidad (CCE). Su tarea consistía en asesorar al CIPM en asuntos relacionados con los sistemas y normas de medición eléctrica. En 1933, en su 8ª reunión, el CGPM aprobó el principio de basar las unidades eléctricas en el llamado sistema “absoluto” de unidades y pidió al CIPM que estableciera un sistema práctico de unidades. La determinación de las unidades eléctricas fue objeto de intensos debates con asociaciones científicas y otras organizaciones internacionales. En 1939, el CCE recomendó la adopción del sistema cuatridimensional basado en el metro, el kilogramo, el segundo y el amperio (conocido como sistema MKSA). La Segunda Guerra Mundial interrumpió los trabajos y el CIPM no aprobó esta propuesta hasta 1946, cuando adoptó una resolución relativa al cambio de unidades eléctricas con efecto a partir del 1 de enero de 1948.

Ese mismo año, en su 9ª reunión, la CGPM encargó al CIPM que realizara un estudio internacional para :

• estudiar el establecimiento de una normativa completa para las unidades de medida;
• iniciar una encuesta oficial sobre las opiniones de los círculos científicos, técnicos y educativos de todos los países;
• formular recomendaciones relativas al establecimiento de un sistema práctico de unidades de medida que pudiera ser adoptado por todos los países signatarios de la Convención del Metro.

En su 10ª reunión, celebrada en 1954, el CGPM decidió adoptar un sistema práctico de unidades de medida para las relaciones internacionales basado en el metro para la longitud, el kilogramo para la masa, el segundo para el tiempo, el amperio para la corriente eléctrica, el grado kelvin (rebautizado kelvin en 1967) para la temperatura termodinámica y la candela para la intensidad luminosa. En la 11ª reunión del CGPM, celebrada en 1960, pasó a denominarse Sistema Internacional de Unidades.

En 1971 (14ª reunión del CGPM), para satisfacer las necesidades de los usuarios en el campo de la química, y a raíz de una propuesta conjunta de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) y la Organización Internacional de Normalización (ISO), se añadió una séptima unidad al Sistema Internacional de Unidades: el mol, para expresar la cantidad de materia.

El papel del Comité Consultivo de Unidades

El Comité Consultivo de Unidades (CCU), cuya creación fue aprobada por la CGPM en su 12ª reunión de 1964, sucedió a la Comisión para el Sistema de Unidades que había sido creada en 1954 por la CIPM. La CCU es uno de los diez Comités Consultivos del CIPM. Asesora al CIPM en asuntos relacionados con la definición de las unidades de medida y constituye un foro para la comunidad científica. Es responsable de los principales avances del Sistema Internacional de Unidades y garantiza su desarrollo y difusión. Al igual que los otros nueve comités consultivos del CIPM, funciona sobre la base del consenso, y cada revisión se prepara en consulta con todos los miembros de la comunidad metrológica internacional: asociaciones y uniones científicas, academias de ciencias, institutos nacionales de metrología. Antes de introducir cualquier cambio, las cuestiones relativas a las unidades se debaten en el seno de los Comités Consultivos pertinentes, que reúnen a expertos internacionales y asesoran al CIPM sobre todos los temas científicos con repercusión en la metrología. El CCU desempeña un papel de coordinación y dirección.

El SI es el lenguaje común de las actividades científicas y humanas. Cada cambio se discute a fondo en el seno del CCU y, a continuación, se presentan recomendaciones al CIPM antes de presentar un proyecto de resolución a la CGPM. Desde la creación del SI, sus reformas nunca han sido cuestionadas; al contrario, han contribuido a convertirlo en un sistema globalmente adoptado y universalmente aceptado.

El CCU también se encarga de preparar las sucesivas ediciones del folleto titulado El Sistema Internacional de Unidades, cuya primera edición se publicó en 1970 para garantizar que el SI se utiliza correctamente en todo el mundo. Desde entonces, este folleto se ha reeditado varias veces para reflejar los diversos avances del SI. La novena edición, publicada el 20 de mayo de 2019, sigue a la revisión histórica de 2018.

Un sistema coherente y universalmente reconocido

Cuando se adoptó el SI en 1960, el BIPM se convirtió en el garante de la uniformidad del sistema mundial de medidas. En Francia, un decreto del 3 de mayo de 1961 legalizó el sistema.

En la actualidad, el SI está consagrado en la legislación de casi todos los países del mundo. En la práctica, cada país decide por ley las normas que rigen el uso de las unidades del SI a nivel nacional. En Estados Unidos, por ejemplo, que fue uno de los diecisiete primeros estados en suscribir la Convención del Metro, el sistema métrico es legal desde 1866. Aunque en la vida cotidiana se utilizan las unidades estadounidenses habituales, todas ellas se definen sobre la base de las unidades del SI, y todas las mediciones son trazables al SI, que está consagrado en la legislación estadounidense. La Organización Internacional de Metrología Legal (OIML), creada en 1955, supervisa la armonización de las especificaciones técnicas en la legislación.

El SI es un sistema coherente porque las unidades se expresan sin un factor de conversión numérico interno. Partiendo de las siete unidades base, combinadas según las relaciones algebraicas que vinculan las magnitudes correspondientes, todas las unidades derivadas se definen como productos de potencias de estas unidades base.

A algunas de ellas se les ha dado nombres específicos. Por ejemplo, la combinación particular de unidades base kg m2 s-2 se denomina julio (J) y expresa la unidad de energía en todas sus formas: el trabajo o la cantidad de calor.

Tomemos ahora el ejemplo del vatio (W). Esta unidad derivada, que denota la potencia o el flujo de energía, corresponde a 1 julio (o 1 kg m2 s-2) por segundo: 1 W = 1 J/s = 1 kg m2 s-3.

El SI no es estático, sino que evoluciona con la ciencia y las necesidades de la sociedad y los usuarios. Por ello, la definición de varias unidades ha cambiado en consonancia con el progreso científico. El metro, por ejemplo, sufrió tres definiciones sucesivas entre 1889 y 1983. La primera, como hemos visto, vinculaba la unidad a un objeto, una barra de platino iridiado conservada en el Pavillon de Breteuil en Sèvres (sede del BIPM). Pero ya en 1895, Albert Michelson (1852-1931), con sus trabajos sobre interferometría en el BIPM, allanó el camino para una nueva definición que no entraría en vigor hasta 1960: el metro se definió entonces por la longitud de onda de la radiación emitida por una lámpara de criptón 86. Después, en 1983, el metro pasó a ser “la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante una duración de 1/299.792.458 de segundo”. Esta nueva definición es el primer paso hacia la revisión del SI en 2018. Por primera vez, una unidad se define en términos de una constante fundamental de la naturaleza: en este caso, la velocidad de la luz.

Antes de 1960, el segundo se definía como la fracción 1/86,400 del día solar medio. Se estableció así con referencia a los movimientos terrestres, siendo el día solar medio el tiempo que tarda la Tierra en completar una rotación completa sobre sí misma. En 1960 se aprobó una nueva definición más precisa: el segundo corresponde a la fracción 1/31.556.925,9747 del año trópico (el intervalo de tiempo entre dos tránsitos del Sol en el punto vernal). Los avances en la investigación, con el desarrollo de los relojes atómicos en los años 50, condujeron a la adopción de una nueva definición del segundo, esta vez basada en la transición energética del átomo de cesio y correspondiente a una frecuencia de microondas. Esta definición fue adoptada por la 13ª reunión del CGPM en 1967: “El segundo es la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado básico del átomo de cesio 133”.

Esta nueva definición marcó la entrada de la física cuántica en las unidades del SI y la posibilidad de alcanzar un nivel de precisión excepcional que abre el camino a numerosas aplicaciones, como el GPS (Sistema de Posicionamiento Global). Los relojes atómicos más precisos son las fuentes atómicas, que utilizan átomos fríos de cesio para alcanzar incertidumbres de frecuencia relativa de alrededor de 10-16. Los relojes ópticos, que utilizan otros átomos (estroncio, por ejemplo) cuyo periodo de oscilación se sitúa en el rango óptico (es decir, visible), amplían los límites de la precisión con incertidumbres del orden de 10-17 o incluso 10-18 y conducirán sin duda a una nueva definición del segundo. El SI nunca es estático, pero cada cambio debe garantizar la continuidad.

Unidades vinculadas ahora a constantes naturales

La revisión del SI adoptada en 2018 es la culminación de muchos años de investigación y representa una auténtica revolución acorde con los progresos realizados. Un cambio de rumbo acorde con los conocimientos actuales de la naturaleza. Jean-Philippe Uzan, director de investigación del CNRS y cosmólogo del Instituto de Astrofísica de París, explica: “Un sistema de unidades es una construcción humana, por lo que las definiciones del Sistema Internacional se basaban originalmente en la física clásica. Los cambios sucesivos en la definición se han debido al deseo de utilizar medidas más estables y fundamentales, siguiendo así el ritmo de los avances de la física”.

La primera consecuencia importante de esta revisión es que el SI se define ahora en función del valor numérico de siete constantes específicas. La idea de utilizar las constantes de la naturaleza como patrones fundamentales no es nueva, pero hasta ahora la ciencia no había permitido alcanzar el grado de precisión necesario para basar el SI en estas invariantes. En 2011 y 2014, las resoluciones del CGPM señalaron la intención del CIPM de proponer una revisión del SI utilizando este conjunto de siete constantes como referencia para definir las unidades. La revisión de 2018 incorporó medio siglo de avances en física atómica y metrología cuántica para alcanzar niveles de precisión sin precedentes.

Antes de la revisión de 2018 del SI, los valores numéricos de las constantes se deducían de las definiciones de las siete magnitudes básicas a las que se asocia cada una de las siete unidades del SI. A partir del 20 de mayo de 2019, cuando entren en vigor las nuevas definiciones, serán las constantes, cuyos valores numéricos se han fijado de acuerdo con las definiciones anteriores para garantizar la continuidad del sistema, las que formen la base de las unidades. Estas nuevas definiciones utilizan una formulación conocida como “constante explícita”: la unidad se define indirectamente dando el valor numérico exacto de la constante a la que está vinculada.

Según la Resolución 1 (26ª reunión del CGPM), el SI es, por tanto, el sistema de unidades según el cual :

• la frecuencia de la transición hiperfina del estado básico del átomo de cesio 133 no perturbado, ΔνCs, es igual a 9.192.631.770 Hz;
• la velocidad de la luz en el vacío, c, es de 299.792.458 m/s;
• la constante de Planck, h, es igual a 6,626 070 15 × 10-34 J s;
• la carga elemental, e, es igual a 1,602 176 634 × 10-19 C;
• la constante de Boltzmann, k, es igual a 1,380 649 × 10-23 J/K;
• la constante de Avogadro, NA, es igual a 6,022 140 76 × 1023 mol-1; y
• la eficacia luminosa de la radiación monocromática a una frecuencia de 540 × 1012 Hz, Kcd, es igual a 683 lm/W”.

Los símbolos Hz, J, C, lm y W – que representan las unidades hercio, julio, culombio, lumen y vatio respectivamente – están relacionados con las unidades segundo (s), metro (m), kilogramo (kg), amperio (A), kelvin (K), mol (mol) y candela (cd) mediante las siguientes relaciones: Hz = s-1; J = kg m2 s-2; C = A s; lm = cd m2 m-2 = cd sr; y W = kg m2 s-3.

A partir de los valores fijos de estas siete constantes, es posible deducir todas las unidades del sistema. Los conceptos de unidades base y unidades derivadas se mantienen en el SI revisado por su practicidad y uso generalizado, pero en principio no es necesario porque las definiciones de todas las unidades, ya sean base o derivadas, pueden deducirse directamente de las siete constantes. El CGPM ha adoptado una serie de prefijos utilizados para formar múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades del SI. Estos prefijos permiten expresar de forma práctica los valores de cantidades mucho mayores o mucho menores que la unidad. Representan estrictamente potencias de 10.

La otra gran consecuencia de esta revisión es que ninguna unidad está ya vinculada a un artefacto: la unidad de masa, cuya definición no habÃa cambiado desde 1889, ya no se basa en un objeto que era en esencia una debilidad del sistema. Al comparar el prototipo internacional, a veces apodado “la Gran K”, con sus seis testigos (o copias), se había constatado una diferencia del orden de 50 microgramos a lo largo de un periodo de cerca de un siglo, sin que fuera posible explicar por qué. La unidad de masa se basaba en un objeto que podía dañarse o desaparecer, lo que en sí mismo era una debilidad teórica del sistema, aunque se habían tomado todas las precauciones para proteger el cilindro, que se guardaba bajo tres relojes en una caja fuerte que sólo podía abrirse con tres llaves. La definición de la unidad de masa está ahora vinculada a la constante fundamental de la física cuántica: la constante de Planck.

Han sido necesarios treinta años de investigación para desarrollar la “balanza de vatios”, rebautizada balanza de Kibble -en homenaje al físico británico Bryan Peter Kibble (1938-2016) que inventó el principio en 1975- con la precisión necesaria. La balanza de Kibble es un dispositivo electromecánico que, antes de que se redefiniera el kilogramo, se utilizó para establecer un vínculo entre una masa macroscópica vinculada al prototipo internacional del kilogramo y la constante de Planck. Ahora puede utilizarse para redefinir el kilogramo. Es un experimento complejo. La medición se realiza en dos fases: una estática y otra dinámica. Otro experimento también permite relacionar una masa de alrededor de un kilogramo con la constante de Planck. Este experimento utiliza una esfera casi perfecta hecha de un único cristal de silicio. El número de átomos de la esfera viene determinado por la relación entre el volumen de la esfera y el volumen de una malla elemental (que contiene un solo átomo) en el cristal único. Ya se conocía la masa de un átomo de silicio en relación con la constante de Planck, lo que permitió determinar el valor numérico de esta constante. El experimento es completamente independiente del basado en la balanza de Kibble, y proporciona un segundo método para definir el kilogramo.

Para su difusión, cada unidad debe ponerse en práctica. La puesta en práctica la elabora el Comité Consultivo correspondiente: consiste en una serie de instrucciones, una especie de manual para aplicar la unidad en la práctica, al más alto nivel metrológico. Pero el uso de una constante para definir una unidad permite disociar la realización de la definición teórica, que se limita a ilustrar. En términos prácticos, esto significa que la realización puede mejorarse sin tener que modificar la definición.

Además del kilogramo, también se han redefinido otras tres unidades: el amperio, el kelvin y el mol, lo que ha permitido introducir mejoras en el SI. El amperio se definía anteriormente como “la intensidad de una corriente constante que, mantenida en dos conductores rectilíneos paralelos de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno del otro en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 × 10-7 newtons por metro de longitud”. Esta definición teórica, basada en las fuerzas mecánicas, imponía unas condiciones idealizadas y muy complicadas para la realización del amperio y sus unidades derivadas (el ohmio, el voltio, etc.). La nueva definición del amperio permite aprovechar las normas cuánticas (basadas en el efecto Hall cuántico en un semiconductor o en el efecto Josephson en un superconductor) ya utilizadas para la realización de las unidades eléctricas y que implican la constante de Planck y la carga elemental e.

La definición revisada del kelvin se basa en el valor numérico fijo de la constante de Boltzmann. Las mediciones de temperatura se liberan así de las limitaciones de la definición anterior, ya que ahora son independientes del punto triple del agua -un punto único determinado por una temperatura y una presión específicas en el que el agua coexiste en forma líquida, gaseosa y sólida-, que también planteaba problemas en cuanto a la realización práctica de esta unidad.

La antigua definición del mol, “el mol es la cantidad de materia en un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12”, lo hacía dependiente de la definición del kilogramo. Al definirse ahora en términos de la constante de Avogadro, el mol pasa a ser completamente independiente de la unidad de masa.

El Sistema Internacional de Unidades, heredero del sistema métrico decimal, es indispensable para el mundo moderno, ya que proporciona un lenguaje universal de medidas con constantes que definen las unidades. Desde su creación, ha seguido el ritmo del progreso de la ciencia, y su revisión de 2018 lo adapta mejor a las necesidades actuales de la ciencia y la sociedad. Al entrar en la era de la física cuántica y atómica y liberarse de su dependencia de los prototipos para todas las unidades, también ha dado un paso más hacia el cumplimiento del ideal revolucionario del sistema más universal posible: “Para todos los tiempos, para todos los pueblos”. Como explica Martin Milton, director del BIPM, las nuevas definiciones utilizan “las reglas de la naturaleza para crear las reglas de medición, vinculando las mediciones atómicas y cuánticas a las realizadas a nivel macroscópico”.

Sin embargo, el SI no está grabado en piedra. Al igual que el sistema métrico decimal, ya ha sufrido numerosos cambios. La metrología es una rama dinámica de la física. Los progresos realizados con los relojes ópticos son una ilustración de ello, y sin duda conducirán a una nueva definición del segundo.

Revisor de hechos: EJ

Sistema Métrico: Historia y Desarrollo

El moderno sistema métrico de unidades y normas de medida tiene sus raíces en los esfuerzos de los siglos XVII y XVIII por establecer un sistema de pesos y medidas sencillo, fácil de usar y universalmente aceptable. Estos esfuerzos fueron motivados por dos principios rectores.Entre las Líneas En primer lugar, muchos esperaban que se definiera una única unidad de medida que pudiera servir de base para la construcción lógica de un sistema completo y coherente de unidades de medida.Entre las Líneas En segundo lugar, también había un número creciente de personas que favorecían las relaciones decimales para las unidades de la misma cantidad.

Muchas fuerzas contribuyeron a impulsar el cambio de sistemas de medida consuetudinarios diversos y esencialmente no relacionados entre sí. Incluyeron el rápido crecimiento del comercio internacional y la cambiante estructura política de Europa y sus dependencias coloniales. Se hizo necesario acomodar muchas formas incompatibles de hacer negocios.

Otros Elementos

Además, el crecimiento de la investigación científica no sólo creó nuevas demandas de exactitud y uniformidad en las mediciones, sino que también proporcionó la visión de una base científica universalmente aceptable para un sistema de mediciones. Los sistemas habituales, transmitidos principalmente por los babilonios, egipcios, griegos y romanos, se basaban en objetos y fenómenos no relacionados entre sí, incluida la anatomía humana, sin ninguna esperanza práctica de uniformidad.

Orígenes del sistema métrico

El nacimiento del sistema métrico se produjo en el clima de audaz reforma y racionalización científica que prevaleció en Francia durante la última parte del siglo XVIII. La Academia Francesa de Ciencias organizó comités para estudiar la creación de un sistema estándar de pesos y medidas. Después de considerar científicamente varias posibilidades, el comité recomendó una nueva unidad de longitud igual a una diezmillonésima parte de la longitud del arco desde el ecuador hasta el Polo Norte, o un cuadrante del círculo de meridianos de la Tierra. A esta unidad se le dio el nombre de mètre; el nombre se derivó de la palabra griega metron, que significa “una medida”. De la misma palabra surgió el nombre del nuevo sistema. La unidad de masa, el kilogramo, se definió como la masa de agua contenida en un cubo cuyos lados son una décima parte de la unidad de longitud. La unidad de volumen, el litro, se definió de la misma manera. Así, la unidad de longitud se convirtió en la base del sistema. La nueva República de Francia adoptó las recomendaciones de la Academia Francesa en 1795.

Desarrollo del sistema

La Academia Francesa de Ciencias también recomendó que la norma de referencia primaria para la unidad de longitud se definiera mediante una medición precisa del arco del meridiano entre Dunkerque, Francia, y Barcelona, España. Los estándares de referencia del artefacto de platino para el metro y el kilogramo se construyeron en 1799 y se depositaron en los Archivos Nacionales Franceses en París. Estos dos estándares se conocieron más tarde como el Medidor de los Archivos y el Kilogramo de los Archivos.

La introducción del sistema métrico en Francia se encontró con la habitual resistencia al cambio.Entre las Líneas En 1812 las antiguas unidades de medida fueron restauradas por Napoleón I, emperador de Francia.Entre las Líneas En 1840 el sistema métrico se volvió obligatorio en Francia. El uso del sistema métrico se extendió lentamente a otros países europeos. También se extendió a los Estados Unidos, donde se hizo legal, pero no obligatorio, en 1866. La aceptación internacional del sistema métrico fue entonces puesta en práctica por la Conferencia Diplomática del Metro, convocada en París en 1875 y a la que asistieron delegados de 20 países. Esta conferencia produjo el Tratado del Metro; fue firmado en mayo de 1875 por los delegados de 17 países, incluyendo los Estados Unidos.

El tratado del metro proporcionó la maquinaria institucional necesaria para promover el perfeccionamiento, la difusión y el uso del sistema métrico. El Comité Internacional de Pesos y Medidas, ampliamente conocido como CIPM (Comité International des Poids et Mesures), se estableció bajo la amplia supervisión de la Conferencia General de Pesos y Medidas, CGPM (Conférence Général des Poids et Mesures). Constaba de delegados de los países miembros. La primera Conferencia General se reunió en 1889 para aprobar nuevas normas internacionales de referencia de prototipos métricos para redefinir la longitud y la masa. Estos prototipos se basaban en las normas de los Archivos. El Primer CGPM también ratificó la igualdad (dentro de las incertidumbres conocidas) de una serie de estándares de prototipos nacionales para la longitud y la masa; estos estándares fueron distribuidos a los países miembros. Este fue el comienzo de la difusión de un sistema métrico uniforme en todo el mundo. La convención métrica de 1875 también estableció la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, BIPM (Bureau International des Poids et Mesures). Este organismo debía llevar a cabo el trabajo científico del Sistema Internacional bajo la supervisión de la CIPM.

La expansión métrica en todo el mundo

Tras el restablecimiento del sistema métrico en Francia en 1840, el uso del sistema se expandió lentamente en Alemania, Italia, Grecia, los Países Bajos y España. Después de 1850 el creciente interés en las grandes exhibiciones comerciales internacionales aceleró la expansión del uso del sistema métrico. Para 1880, los principales países europeos y la mayor parte de América del Sur lo habían adoptado. A principios del siglo XX, el sistema métrico se utilizaba oficialmente en 35 países; los únicos grandes países industrializados no incluidos en ese número eran los países del Commonwealth británico y los Estados Unidos.

Aviso

No obstante, tanto los Estados Unidos (en 1875) como Gran Bretaña (en 1884) se habían convertido en naciones signatarias del Tratado del Medidor, reconociendo así la importancia de una base internacional común de medición. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto).
El desplazamiento métrico de los sistemas de medición habituales en los principales países anglosajones del mundo se ha desarrollado mucho más lentamente.

Aviso

No obstante, los cambios en las pautas del comercio internacional y la importancia de los nuevos mercados han hecho que se tenga en cuenta en la práctica la necesidad de unidades de medida uniformes a escala internacional. El cambio hacia la conversión métrica estaba bien establecido en los países de habla inglesa a mediados del siglo XX. Las medidas oficiales para adoptar el sistema para el uso cotidiano a nivel nacional fueron finalmente tomadas, después del establecimiento del Sistema Internacional de Unidades en 1960, por Gran Bretaña (1965), Sudáfrica (1968), Nueva Zelanda (1969), Canadá (1970) y Australia (1970).Entre las Líneas En 2007, sólo los Estados Unidos, Liberia y Myanmar seguían sin comprometerse a utilizar obligatoriamente el sistema métrico en la vida cotidiana. Ese año, la Unión Europea también dictaminó que el Reino Unido e Irlanda podían seguir utilizando las medidas imperiales junto con sus equivalentes métricos. Anteriormente, debían haberlos eliminado por completo para 2009.

El sistema métrico en los Estados Unidos

En los Estados Unidos hubo mucho interés oficial y científico en el desarrollo del sistema métrico durante los primeros días de la nación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). El Presidente Washington instó al Congreso a tomar medidas para lograr mediciones uniformes. Thomas Jefferson y John Quincy Adams, durante sus mandatos como secretario de estado, llevaron a cabo estudios exhaustivos de un sistema de medición decimal. Después de un estudio especial adicional realizado por la recién organizada Academia Nacional de Ciencias en 1866, el Congreso promulgó una legislación que autorizaba (pero no ordenaba) el uso del sistema métrico en los Estados Unidos ese mismo año.

La ley de 1866 fue un importante punto de inflexión en la historia de las mediciones en los Estados Unidos. Al hacer legal el empleo del sistema métrico, la legislación fue un primer paso hacia la eventual armonización del sistema de medición de los Estados Unidos con los de otras naciones. El acto también definió por ley las relaciones que se utilizarían en el cálculo de los valores de las unidades de medida habituales utilizadas en los Estados Unidos a partir de las unidades métricas correspondientes.

Otros Elementos

Además, ese mismo año una resolución conjunta autorizó y ordenó al Secretario del Tesoro que proporcionara a cada estado un conjunto de pesos y medidas métricas estándar.
Los Estados Unidos fueron un importante participante en la Conferencia del Metro celebrada en París en 1875. Tras la firma del Tratado del Medidor el 10 de mayo de 1875, la nación recibió sus prototipos de la barra de medidor estándar y el kilogramo estándar en 1893. Estos se convirtieron en sus normas oficiales fundamentales de longitud y masa.Entre las Líneas En 1901 se estableció la Oficina Nacional de Estándares de los Estados Unidos (posteriormente rebautizada como Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) con el propósito de servir a los mundos de la ciencia y la tecnología. A pesar de sus esfuerzos, se hicieron pocos progresos hacia una mayor aceptación de las unidades métricas en los Estados Unidos.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Sin embargo, después de la Segunda Guerra Mundial, y particularmente después del exitoso lanzamiento por parte de la URSS (1957) del primer satélite espacial, Sputnik -que abrió la era de la exploración espacial-, se renovó el interés en el sistema métrico desarrollado en los Estados Unidos. Para 1968 la difusión de las mediciones métricas en todo el mundo estaba casi completa.

Detalles

Los argumentos a favor de la conversión basados en la expansión de los mercados extranjeros (referido a las personas, los migrantes, personas que se desplazan fuera de su lugar de residencia habitual, ya sea dentro de un país o a través de una frontera internacional, de forma temporal o permanente, y por diversas razones) eran cada vez más persuasivos. Reconociendo estas tendencias, en 1968 el Congreso de los Estados Unidos autorizó al secretario de comercio a realizar un estudio intensivo para determinar las ventajas y desventajas del aumento del uso del sistema métrico en los Estados Unidos. El informe resultante, El Estudio Métrico de los Estados Unidos (1970-71), concluyó que la nación eventualmente (finalmente) se uniría al resto del mundo en el uso del sistema métrico. Instó a una transición cuidadosamente planeada para este uso. Por recomendación del estudio, el Congreso promulgó la Ley de Conversión Métrica de 1975 y estableció la Junta Métrica de los Estados Unidos “para coordinar la conversión voluntaria al sistema métrico”. La Oficina de Programas Métricos reemplazó a la Junta Métrica en 1982.

A pesar de estos esfuerzos del gobierno federal, el uso popular del sistema métrico todavía no estaba tan extendido como se había previsto a principios del siglo XXI. El tipo de presión para adoptar el sistema que tiene mayores probabilidades de éxito proviene en cambio de la comunidad empresarial. Tal presión se está ejerciendo en la causa de la competencia y el comercio internacional. [rtbs name=”comercio-de-compensacion”]Organizaciones como la Unión Europea, por ejemplo, han amenazado con restringir las importaciones de los Estados Unidos que no se ajusten a las normas métricas. Algunos países, en ocasiones, ya han rechazado los envíos de forma categórica por tales razones.Entre las Líneas En lugar de tratar de mantener inventarios duales para los mercados nacionales y extranjeros, varias empresas estadounidenses han optado por el sistema métrico. (Por ejemplo, los vehículos de motor, la maquinaria agrícola y el equipo informático se fabrican con especificaciones métricas). A medida que los negocios avanzan, probablemente también lo hará la nación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). La Ley de Comercio Ómnibus, aprobada en 1988, ya había exigido a casi todos los organismos federales que utilizaran unidades métricas en sus adquisiciones, subvenciones y actividades comerciales en 1992.

Unidades básicas y unidades derivadas

Cuando se concibió el sistema métrico por primera vez, uno de los objetivos era la definición de una única unidad a partir de la cual se pudiera construir el sistema esencial de medidas. De hecho, se pensó que la unidad de longitud, el metro, debía considerarse de esta manera. Se dedicaron muchos esfuerzos científicos a la cuidadosa selección de una definición aceptable. También era necesario basarse en las propiedades del agua pura para definir una unidad de masa, el kilogramo. El sistema de medición necesario para el comercio y la industria en el siglo XVIII se basaba en las definiciones de dos unidades, el metro (longitud) y el kilogramo (masa); de ellas se derivaban las unidades para otras cantidades necesarias, como la superficie y el volumen. El objetivo final de un sistema completo de mediciones derivado lógicamente de la definición de una sola unidad no era realizable cuando se estableció por primera vez el sistema métrico. Tampoco es realizable hoy en día.

Puntualización

Sin embargo, la idea fundamental persistió. El sistema métrico moderno se ha fundado sobre seis unidades básicas y ha sido designado por el 11º CGPM (1960) como el Sistema Internacional de Unidades, con la abreviatura internacional SI (ver unidades, físicas).

Más Información

Las unidades base del SI -ampliadas a siete en 1971- son independientes por convención. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Son el metro, el kilogramo, el segundo, el amperio, el kelvin, el mol y la candela. Es posible, en principio, que las naciones industriales mantengan sistemas completos de medición que sean equivalentes dentro de límites aceptables de incertidumbre, comparando las normas nacionales para las unidades básicas del SI con las que mantiene la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, BIPM (Bureau International des Poids et Mesures), en Sèvres, Francia.

Desde los Años 60 y Tendencias Futuras

Las siete unidades básicas del SI constituyen un conjunto completo en el sentido de que todas las demás unidades de medida necesarias pueden derivarse lógicamente de ellas. Estas siete también constituyen un conjunto irreducible dentro del cual ningún miembro puede ser derivado de ninguna combinación de las otras.

Puntualización

Sin embargo, es posible que los avances de la ciencia y la tecnología den lugar a una reducción del número de unidades básicas del SI. Desde 1967 la unidad de tiempo del SI, la segunda, se ha definido como exactamente 9.192.631.770 períodos de radiación de radio emitidos como resultado de la precesión giroscópica del electrón más externo en átomos de cesio no perturbados. De 1960 a 1983 la unidad de longitud del SI, el metro, se definió como exactamente 1.650.763,73 longitudes de onda de una de las líneas espectrales del criptón-86.

Puntualización

Sin embargo, para 1983, incluso esta longitud de onda generada por láser llegó a considerarse insuficientemente precisa en cuanto a su reproducibilidad. Esto se debió a las medidas extremadamente precisas que se requieren ahora en la ciencia. Se abandonó el estándar de criptón.Entre las Líneas En su lugar, el medidor se redefinió como la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo.Entre las Líneas En otras palabras, la unidad de longitud estándar se define ahora en términos de la velocidad de la luz.

Los métodos modernos para la medición de la energía luminosa proporcionan otro ejemplo de avances que pueden, en principio, reducir el número de unidades básicas necesarias del SI. La unidad de intensidad luminosa, la candela, se define en términos de la radiación de una pequeña área definida de un cuerpo de platino a una temperatura alta especificada. Se ha hecho posible medir esa radiación por comparación directa con pequeñas cantidades equivalentes de energía eléctrica.

Una Conclusión

Por lo tanto, las unidades eléctricas -vatios- son, en principio, suficientes para la medición del flujo de radiación óptica, así como de la potencia eléctrica.

Los recientes avances en el uso de los rayos X para percibir las posiciones de los átomos en muestras puras de estructuras cristalinas perfectas han permitido determinar con gran precisión el número de átomos en una cantidad conocida de sustancia. Sobre esta base, también puede resultar práctico derivar el molar SI directamente del kilogramo.

Incluso puede resultar conveniente redefinir el kilogramo en términos de la masa de un átomo seleccionado disponible universalmente. El kilogramo actual es la única unidad base del SI que todavía se define en términos de un artefacto mantenido en Sèvres.

En el caso de unidades especiales en diferentes campos disciplinarios, es claramente deseable fomentar una tendencia hacia una práctica uniforme. Por ejemplo, las unidades utilizadas para medir los efectos fisiológicos de las radiaciones ópticas incluyen un factor para la eficiencia media del ojo humano.

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Las unidades correspondientes utilizadas en la física y la ingeniería para la misma cantidad no lo hacen. Existen ejemplos similares en el caso de otras unidades que se utilizan para las respuestas fisiológicas; entre ellas figuran la potencia y la energía acústicas y la dosis de radiación ionizante. Quienes se preocupan por el perfeccionamiento del sistema métrico moderno buscan formas de armonizar esas diversas prácticas de medición. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Al mismo tiempo, quieren evitar toda tendencia a hacer que el sistema sea menos útil para los que tienen necesidades especiales. El objetivo es reducir las posibilidades de confusión y error que se derivan de las limitaciones del lenguaje de medición utilizado en campos de especialización muy diferentes.

Datos verificados por: Marck

En Francia

En física, como en la vida cotidiana, medir significa determinar la relación entre dos magnitudes del mismo tipo, una de las cuales -que se supone constante- actúa como patrón o unidad. El cuerpo humano proporciona desde hace mucho tiempo estándares prácticos siempre disponibles, por ejemplo, para medir la distancia entre dos objetos en pies, pulgadas o codos. El problema con este tipo de estándar es que, aunque todo el mundo tiene un pie, no todo el mundo tiene la misma talla de zapato. Para que las mediciones sean fiables y comparables, además de facilitar el comercio, se requiere un mínimo de coherencia… Así que acabamos adoptando estándares de longitud basados en un pie invariable, conocido y reconocido por el mayor número – en este caso, en Francia, el del rey. El mayor inconveniente de este sistema era que, según el país, la región o incluso la época, el pie estándar no era el mismo: el pie romano era más corto que el pie inglés, que a su vez era más corto que el pie del rey francés. El problema era el mismo con las unidades de peso y volumen, que también se basaban en estándares antropomórficos como la libra o el puñado. Con el auge de la ciencia y el comercio internacional, la necesidad de unidades más precisas y universales se hizo cada vez más evidente a lo largo de la Ilustración.

Del sistema real a la mecánica cuántica

Los revolucionarios franceses, muchos de los cuales eran científicos, acababan de cortarle la cabeza a Luis XVI, así que abolieron el pie del rey. Las casi 800 unidades que se utilizaban entonces en Francia fueron sustituidas por un sistema completamente nuevo de unidades decimales: metros, kilogramos y segundos. Éstas ya no se referían a patrones antropomórficos, sino por primera vez a valores astronómicos medidos con precisión que entonces se consideraban constantes, naturales y universales, como la duración de un día terrestre o la longitud de un meridiano. Desde entonces, el sistema métrico decimal ha sufrido muchos cambios y redefiniciones, pero siempre se ha basado, aunque sea indirectamente, en constantes físicas.”Un sistema de unidades es una construcción humana, por lo que las definiciones del Sistema Internacional se basaron originalmente en la física clásica. Los cambios sucesivos en la definición han sido el resultado del deseo de utilizar medidas más estables y fundamentales, en línea con los avances de la física. Así que no es de extrañar que la próxima revisión del Sistema Internacional de Unidades (SI) otorgue un lugar de honor a las constantes derivadas de la mecánica cuántica y la relatividad.

Unidades nacidas de constantes

La redefinición de las siete unidades básicas (metro, kilogramo, segundo, amperio, kelvin, mol y candela) se basará por tanto en una formulación explícita de constantes, es decir, una definición en la que la unidad se define indirectamente al dar un valor exacto a una constante fundamental reconocida. “Definimos la constante fundamental de una teoría física como cualquier parámetro cuyo valor no puede predecir dicha teoría”, explica Jean-Philippe Uzan2. Este valor sólo puede obtenerse empíricamente, por medición. Los avances en la instrumentación ya han permitido realizar mediciones lo suficientemente precisas como para que nos decidamos a establecer valores exactos para algunas de ellas de forma convencional.

Revisor de hechos: Guillaume

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Sistema métrico: Metric system

Véase También

Física
Metrología
Unidades de medida

Bibliografía

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