¿Por qué la constante de Planck es un número exacto con un valor definido?

La constante de Planck relaciona dos tipos diferentes de cantidades, a saber, energía y frecuencia. Eso significa que es un factor de conversión que convierte las unidades de cantidades de una forma a otra. Si las unidades de estas dos cantidades se definen por separado, entonces se pueden usar medidas para determinar el valor del factor de conversión. Ese valor tendría entonces cierta incertidumbre debido a las condiciones experimentales. Eso es lo que se ha hecho antes. Sin embargo, recientemente se decidió definir las unidades de una de las cantidades en función de la otra, estableciendo el factor de conversión (constante de Planck) en un valor fijo sin incertidumbre. Surgió por la redefinición del kilogramo . Ahora ya no tiene ninguna incertidumbre. Lo mismo se hizo para la velocidad de la luz hace algún tiempo.

Antes de mayo de 2019 , la constante de Planck no estaba definida por un valor exacto y, en cambio, se midió experimentalmente para ser$6.626069934(89)\times10^{−34}\ \mathrm{J\cdot s}$. Sin embargo, vale la pena notar lo que queremos decir al decir que esta constante tiene un cierto valor numérico cuando se expresa en ciertas unidades. En esencia, cuando medimos una cantidad física, la estamos comparando con el valor de alguna constante que ha sido declarada como estándar, es decir, una unidad.

Cuando la constante de Planck se midió experimentalmente, esto significó compararla con el antiguo valor del joule-segundo, que se definió, en parte, en función de la masa de un trozo de metal en una bóveda en Francia. En otras palabras, la cantidad cambiaría si la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo cambiara. Debido a esto, en general se reconoció que no era ideal definir unidades basadas en artefactos, que es mejor definir unidades basadas en constantes físicas. Sin embargo, hasta hace poco, no había una buena manera de definir la unidad de masa basada en una constante física.

Lo que cambió recientemente fue el desarrollo de la balanza Kibble , que hizo posible medir la constante de Planck con suficiente precisión para definirla como un valor exacto. Ahora, puede que se pregunte cómo desaparece la incertidumbre, ya que las mediciones siempre tienen incertidumbres. La respuesta es que esta incertidumbre se traslada a la calibración de dispositivos que realizan mediciones en las unidades definidas por la constante de Planck, a saber, el kilogramo. En otras palabras, cada vez que mide la masa de algo en kilogramos, está comparando indirectamente la masa con la constante de Planck (combinada con algunas otras constantes para obtener las dimensiones correctas), y la incertidumbre en la constante de Planck se propaga a la calibración de su balanza.

Esto se reduce a cómo se definen las unidades. Si nos fijamos en la definición de unidades SI , en particular la del kilogramo:

Interino (1889): La masa de un pequeño cilindro achaparrado de ≈47 centímetros cúbicos de aleación de platino e iridio conservado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM), Pavillon de Breteuil, Francia. También, en la práctica, cualquiera de las numerosas réplicas oficiales del mismo.

Así era como se definía el kilogramo en el pasado. Tenga en cuenta que esto es obviamente indeseable. Hay exactamente un pequeño cilindro rechoncho de aleación de platino e iridio que califica como la definición. No solo es intrínsecamente problemático (las réplicas no son "oficiales", por lo que diferentes personas pueden terminar con diferentes kilogramos), hay otros problemas: por ejemplo, los sólidos se subliman y se convierten en gas. Este proceso es extremadamente lento para los metales sólidos, pero la velocidad aún no es cero. ¿Cómo se define entonces el kilogramo? ¿También tenemos que especificar el año?

La solución a esto fue definir el kilogramo en términos de la constante de Planck. Ahora que la constante de Planck tiene un valor exacto, si su valor "cambia" ligeramente, es el valor del kilogramo el que realmente cambia.