Definición del Metro

¿Cómo se define el metro? El metro como unidad de longitud fue redefinido en un acuerdo internacional en 1983 como la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío en 1 / 299,792,458 de segundo.

Llegar a esta definición ha llevado una larga historia la cual les comparto a continuación:

Historia del Metro como unidad de medida

La gente ha ideado todo tipo de formas ingeniosas de medir la longitud. Los más intuitivos están al alcance de la mano. Es decir, se basan en el cuerpo humano: el pie, la mano, los dedos o la longitud de un brazo o una zancada. 

En la antigua Mesopotamia y Egipto, una de las primeras medidas estándar de longitud utilizada fue el codo. En Egipto, el codo real, que se utilizó para construir las estructuras más importantes, se basó en la longitud del brazo del faraón desde el codo hasta el final del dedo medio más la extensión de su mano. Debido a su gran importancia, el codo real se estandarizó mediante varillas de granito. Estos codos de granito se subdividieron en longitudes más cortas que recuerdan centímetros y milímetros.

Las medidas de longitud posteriores utilizadas por los romanos (que las habían tomado de los griegos, que las habían tomado de los babilonios y egipcios) y pasadas a Europa generalmente se basaron en la longitud del pie humano o caminar y múltiplos y subdivisiones de eso.

Por ejemplo, el paso (un paso a la izquierda más un paso a la derecha) es de aproximadamente un metro o una yarda. (Por otro lado, la yarda no se deriva de un paso, sino de, entre otras cosas, la longitud del brazo extendido del rey Enrique I de Inglaterra).

Mille passus en latín, o 1,000 pasos, es de donde la palabra inglesa "mile" viene. Sin embargo, la milla romana no era tan larga como la versión moderna.

Los romanos y otras culturas de todo el mundo, como las de India y China, estandarizaron sus unidades, pero las medidas de longitud en Europa todavía se basaban en gran medida en cosas variables hasta el siglo XVIII. Por ejemplo, en Inglaterra, con fines comerciales, la pulgada se concibió como la longitud de tres granos de cebada colocados uno al lado del otro.

Una unidad de longitud para medir la tierra, una vara, era la longitud de 16 pies de hombres seleccionados al azar, y sus múltiplos definían un acre.

En algunos lugares, el área de tierras de cultivo incluso se midió en el tiempo, como la cantidad de tierra que un hombre, o un hombre con un buey, podía arar en un día. Esta medida dependía además de la cosecha que se estaba cultivando: por ejemplo, un acre de trigo tenía un tamaño diferente al de un acre de cebada.

Esto estaba bien siempre que la precisión no fueran un problema. Podrías construir tu propia casa usando tales medidas, y las parcelas de tierra podrían ser inspeccionadas de manera aproximada, pero si quisieras comprar o vender algo en función de la longitud o el área, recaudar los impuestos y aranceles adecuados, construir armas y máquinas más avanzadas con partes intercambiables, o realizar cualquier tipo de investigación científica, se necesitaba un estándar universal.

La invención del sistema métrico a fines del siglo XVIII en la Francia revolucionaria fue el resultado de un largo esfuerzo por establecer un sistema de medición tan universal, que no se basara en dimensiones corporales que variaran de persona a persona o de lugar.

Los franceses buscaron crear un sistema que perduraría "para siempre, para todos los pueblos".

Para ello, la Academia de Ciencias de Francia estableció un consejo de destacados científicos y matemáticos, Jean-Charles de Borda, Joseph-Louis Lagrange, Pierre-Simon Laplace, Gaspard Monge y Nicolas de Condorcet, para estudiar el problema en 1790.

Un año más tarde, surgieron con una serie de recomendaciones. El nuevo sistema sería un sistema decimal, es decir, basado en 10 y sus potencias.

La medida de la distancia, el metro (derivado de la palabra griega metron, que significa "una medida"), sería 1 / 10,000,000 de la distancia entre el Polo Norte y el ecuador, con esa línea pasando por París, por supuesto.

La medida del volumen, el litro, sería el volumen de un cubo de agua destilada cuyas dimensiones fueran 1/1000 de metro cúbico. La unidad de masa (o más prácticamente, peso), el kilogramo, sería el peso de un litro de agua destilada al vacío (espacio completamente vacío).

En 1792, los astrónomos Pierre Méchain y Jean-Baptiste Delambre se propusieron medir el metro midiendo la distancia entre Dunkerque, Francia, y Barcelona, ​​España.

Después de unos siete años de esfuerzo, llegaron a su medida final y la enviaron a la academia, que encarnó el prototipo de metro como una barra de platino.

Más tarde se descubrió que los científicos cometieron errores al calcular la curvatura de la tierra y, como resultado, el prototipo del medidor original era 0,2 milímetros más corto que la distancia real entre el Polo Norte y el ecuador.

Si bien esto no parece una gran discrepancia, es el tipo de cosa que mantiene despiertos a los científicos de medición por la noche. No obstante, se decidió que el medidor permanecería como se muestra en la barra de platino.

Desde entonces, se han elegido definiciones posteriores del metro para cortar lo más cerca posible de la longitud de la primera barra del metro, a pesar de sus deficiencias.

Con el paso del tiempo, cada vez más países europeos adoptaron el metro francés como su estándar de longitud. Sin embargo, aunque las copias de la barra de medición debían ser exactas, no había forma de verificar esto.

En 1875, el Tratado del Metro, firmado por 17 países, incluido Estados Unidos, estableció la Conferencia General de Pesas y Medidas ( Conférence Général des Poids et Mésures , CGPM) como una organización diplomática formal responsable del mantenimiento de un sistema internacional de unidades. en armonía con los avances de la ciencia y la industria.

La organización intergubernamental, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas ( Bureau international des poids et mesures , BIPM), también se estableció en ese momento. Ubicado a las afueras de París en Sèvres, Francia, el BIPM sirve como el punto focal a través del cual sus estados miembros actúan en asuntos de importancia metrológica. Es el árbitro último del Sistema Internacional de Unidades (SI, Système Internationale d'Unités ) y el repositorio de los estándares de medición física. El kilogramo fue el último de los estándares de medición basados ​​en artefactos en el SI. (El 20 de mayo de 2019, fue reemplazado oficialmente por una nueva definición basada en las constantes de la naturaleza).

Luego de esa primera reunión, el BIPM encargó un nuevo prototipo y se entregaron 30 copias a los estados miembros.

Este nuevo prototipo estaría hecho de platino e iridio, que era significativamente más duradero que el platino solo. La barra tampoco sería plana, sino que tendría una sección transversal en forma de X para resistir mejor las distorsiones que podrían introducirse al flexionarse durante las comparaciones con otras barras medidoras.

El nuevo prototipo tampoco sería un estándar "final", en el que el metro se define por los extremos de la propia barra. En cambio, la barra tendría más de un metro de largo y el metro se definiría como la distancia entre dos líneas inscritas en su superficie. Más fáciles de crear que un estándar final, estas inscripciones también permitieron que la medición del medidor sobreviviera si los extremos de la barra se dañaban.

Y así fue hasta 1927, cuando la medición de precisión del medidor pudo dar un salto cuántico gracias a los avances realizados en una técnica de 40 años conocida como interferometría. En esta técnica, las ondas de luz se pueden manipular de tal manera que se combinan o "interfieren" entre sí, lo que permite mediciones precisas de la longitud de las ondas, la distancia entre picos sucesivos.

Fue en 1927 que el NIST (entonces conocido como la Oficina Nacional de Estándares) abogó por que los patrones de interferencia de los átomos de cadmio energizados se convirtieran en un estándar práctico de longitud.

Esto fue útil porque los artefactos de medición internacionales, como las barras métricas, no podían estar en todas partes a la vez; sin embargo, con el equipo adecuado, los científicos de cualquier lugar podrían medir el medidor con cadmio. Sus copias, por exquisitas que sean, no son tan precisas como las reales.

Ni un artefacto ni sus copias son adecuados para todas las medidas que uno quiera hacer. Para citar un ejemplo del mundo real, los bloques patrón son estándares de longitud que se utilizan comúnmente en el mecanizado.

Debido al trabajo extremadamente fino que se exige a los maquinistas, sus estándares de calibración también deben estar finamente elaborados. Usando longitudes de onda de cadmio (y criptón).

A mediados de la década de 1940, los físicos nucleares apuntaron neutrones al oro para transformar los átomos en mercurio.

El físico del NIST William Meggers señaló que apuntar ondas de radio a esta forma de mercurio, conocida como mercurio-198, produciría luz verde con una longitud de onda bien definida. En 1945, Meggers adquirió una pequeña cantidad de mercurio-198 y comenzó a experimentar con él.

Al aplicar técnicas de interferometría al mercurio-198, tres años más tarde se le ocurrió una forma precisa, reproducible y conveniente de definir el medidor.

"Con toda probabilidad, la línea de mercurio verde brillante será la onda que se utilizará como el máximo estándar de longitud", escribió en sus artículos.

Meggers midió la longitud de onda de la luz verde del mercurio: 546,1 nanómetros, o mil millonésimas de metro. Un metro se definiría como un número preciso de múltiplos de esta longitud de onda.

En 1951, el NIST distribuyó 13 “lámparas Meggers” a instituciones científicas y laboratorios de la industria. La agencia buscó aumentar aún más la precisión de su técnica para redefinir el medidor. Sin embargo, los fondos para hacer esto no estaban disponibles de inmediato y el proyecto no pudo completarse hasta 1959.

Al final, el mercurio perdió ante el kriptón, el elemento atómico que dio nombre al planeta natal de Superman. Originalmente propuesto como el átomo de elección por Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el instituto nacional de metrología de Alemania, el isótopo kriptón-86 estaba más disponible en Europa y era capaz de proporcionar una mayor precisión en las mediciones de laboratorio en ese momento.

Entonces, en 1960, la 11a CGPM acordó una nueva definición del metro como la "longitud igual a 1,650,763.73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p ¹⁰ y 5d ⁵ del átomo de criptón-86". En otras palabras, cuando los electrones de una forma común de criptón dan un salto específico de energía, liberan esa energía en forma de luz naranja rojiza con una longitud de onda de 605,8 nanómetros. Sume 1,650,753.73 de esas longitudes de onda y tiene un medidor.

Esta definición de metro fue la que aprendí y memoricé mientras cursaba la asignatura Física  en 3er año de la escuela secundaria y era una definición de aprendizaje obligatorio, ya que era una pregunta fija en las pruebas de la asignatura.

Pero el estándar de criptón no debía durar demasiado. Eso se debe a que los científicos del NIST desarrollaron rápidamente la capacidad de medir de manera confiable y precisa la velocidad más rápida del universo, es decir, la velocidad de la luz en el vacío. 

La luz con la que estamos más familiarizados, la visible, es solo una pequeña parte del espectro electromagnético, que va desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Entonces, cuando hablamos de la velocidad de la luz, estamos hablando de la velocidad de toda la radiación electromagnética, incluida la luz visible.

Debido a que la luz tiene una velocidad increíblemente rápida pero, en última instancia, finita, si se conoce esa velocidad, las distancias se pueden calcular utilizando la fórmula sencilla: la distancia es la velocidad multiplicada por el tiempo.

Esta es una excelente manera de medir la distancia a satélites y otras naves espaciales, la Luna, planetas y, con algunas técnicas astronómicas adicionales, incluso objetos celestes más remotos.

La velocidad de la luz también es la columna vertebral de la red GPS, que determina su posición midiendo el tiempo de vuelo de las señales de radio entre los satélites equipados con reloj atómico y su teléfono inteligente u otro dispositivo.

Y conocer la velocidad de la luz es parte integral de otra tecnología estrechamente relacionada llamada rango láser, un tipo de radar hiperactivo que se puede usar para posicionar satélites y medir y monitorear la superficie de la Tierra.

La velocidad de la luz había sido durante siglos una cantidad esquiva, pero los científicos comenzaron a acercarse realmente a ella con la invención del láser en 1960, el mismo año en que se introdujo el estándar de criptón.

Las características de la luz láser la convirtieron en una herramienta ideal para medir la longitud de onda de la luz.

Todo lo que faltaba en la ecuación era una medición de alta precisión de la frecuencia de la luz, el número de picos de onda que atraviesan un punto fijo por segundo. Una vez que se conoció la frecuencia con suficiente precisión, calcular la velocidad de la luz fue tan simple como multiplicar la frecuencia por la longitud de onda.

Entre los años 1969 y 1979, los científicos del laboratorio del NIST en Boulder, Colorado, lograron nueve mediciones récord mundiales de frecuencia de luz láser.

Cabe destacar la medición récord de 1972 con un nuevo láser estabilizado para liberar una frecuencia de luz específica. La luz interactuó fuertemente con el gas metano, asegurando que láseres similares funcionarán a la misma frecuencia, por lo que el experimento se puede repetir.

Esta medición fue mucho más reproducible que cualquier otra técnica aprobada en 1960 para determinar el medidor. Dirigido por los físicos del NIST Ken Evenson, el futuro premio Nobel Jan Hall y Don Jennings, resultó en el valor c = 299.792.456,2 ± 1,1 metros por segundo, una mejora cien veces mayor en la precisión del valor aceptado para la velocidad de la luz.

Independientemente del grupo NIST Boulder, Zoltan Bay y Gabriel Luther en la sede de NIST en Gaithersburg, en colaboración con John White, un colega de la American University, habían publicado un nuevo valor para la velocidad de la luz unos meses antes.

El grupo de Gaithersburg utilizó un ingenioso esquema para modular la luz de la línea de 633 nm de un láser de helio-neón usando microondas. Utilizando un valor para la longitud de onda de la línea roja He-Ne dado anteriormente por Christopher Sidener, Bay, Luther y White obtuvieron un valor de c = 299,792,462 ± 18 metros por segundo.

Este valor, aunque no se determinó con el bajo nivel de incertidumbre afirmado unos meses más tarde por el grupo de Boulder, fue totalmente coherente con su resultado.

Concepto del Metro

Sobre la base de estos y otros avances, el metro fue redefinido por acuerdo internacional en 1983 como la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío en 1 / 299,792,458 de segundo. 

Esta definición también fijó la velocidad de la luz en 299.792.458 metros por segundo en el vacío. La longitud ya no era un estándar independiente, sino que se derivaba del estándar de tiempo extremadamente preciso y un valor recientemente definido para la velocidad de la luz hecho posible por la tecnología desarrollada en NIST.

Y por lo tanto, el medidor se ha definido y probablemente seguirá siendo tan elegantemente definido en estos términos en el futuro previsible.