LA PRECISIÓN EN LA FÍSICA: UN CAMINO A LA EXACTITUD

por Oliverio Jitrik Mercado imagen de John Chervinsky

En el campo de las ciencias exactas el concepto de precisión toma una relevancia especial, ya que a partir de ella, es posible elaborar mediciones que después servirán para afinar el estudio de otros fenómenos físicos a fin de otorgarnos un conocimiento del mundo cada vez más minucioso.

El proceso de conocer la realidad requiere de información que, en su caso más extremo, está encarnada en un conjunto de datos (en sí, estas palabras también son “datos”). Y para obtenerlos hay que realizar mediciones. El dato más exacto —y creíble— depende de mediciones de buena fe que requieren de precisión, definida previamente en función del campo de estudio o aplicación. En la ingeniería, entendemos que la alta precisión en los procesos es fundamental en la construcción de piezas de relojería, en mecanismos con engranajes y en motores. Errores de una micra pueden generar fallas o desgastes innecesarios.

Sabemos que el verso de Ramón de Campoamor "nada es verdad, nada es mentira, todo es según el cristal con que se mira", convertido en refrán popular, tiene mayor validez en las ciencias sociales y menos en las naturales; en particular en la más fundamental de ellas: la física. En esta disciplina, la escala y la naturaleza de los sistemas físicos (y los fenómenos que manifiestan estos sistemas) necesitan, para ser descritos, de la medición de cantidades cuyo valor debe ser lo más exacto posible. Desde luego, la escala de lo que quiere medirse impone diferentes necesidades de precisión: por ejemplo, no tiene sentido medir en milímetros la distancia entre la Tierra y la Luna.

Frecuentemente, la medición de cierta cantidad A no se hace directamente, sino por medio de mediciones previas de las cantidades B, C, D de las cuales depende A en el marco de una teoría previamente calificada de exacta hasta cierto grado. Esta dependencia se expresa con cierta ecuación conformada de B, C, D; cantidades medibles, que pueden ser ya sea variables, constantes universales o constantes locales. Por ejemplo, en la ilustrísima ley de gravitación de Newton, se expresa la magnitud de la fuerza de atracción entre dos objetos 1 y 2 como: F = G m1 m2/ r2, ecuación en la que r (la distancia entre dos objetos masivos), G (la constante de gravitación universal) y m1, m2 (las masas de cada objeto) son muestra, respectivamente, de cada categoría. Para que esta ecuación permita —mediante la teoría— predecir correctamente la órbita de un planeta alrededor del Sol, las constantes (universal y locales) deben ser determinadas al grado de exactitud que requiera el margen de error permitido en, por ejemplo, el periodo orbital de Júpiter (el año de este planeta, pues). Poca exactitud puede conducir a errores de días o semanas. Y esto, a su vez, implica nuevamente conseguir la medición precisa de dichas cantidades.

Imaginemos que estamos sentados a bordo de un avión, a diez kilómetros de altura. Si no hay nubes, el pasaje sobre una ciudad nos permitirá descubrir que, en efecto, se trata de una mancha urbana en contraste con la superficie circundante. Podemos distinguir plazas y parques, incluso la retícula de avenidas y calles . Pero nada más. Jamás podremos saber que hay vehículos, personas, fachadas y bares. Sin embargo, cuando estamos por aterrizar, podremos identificar perfectamente estos elementos. Estamos, al mirar, midiendo lo mismo, con una precisión de kilómetros en un caso y de metros en el otro. La segunda es una detección mil veces más precisa que la primera.

La mejora en la precisión de las mediciones ha permitido nuevos descubrimientos en física. En la investigación de la estructura de átomos y moléculas, la precisión ha pasado —metafóricamente— de los diez kilómetros a las decenas de metros desde la década de 1910 a la actualidad; precisión conseguida tanto en las mediciones más finas como en los cálculos más exactos. Se mide, entre otras propiedades, la estructura fina de ciertos niveles de energía del espectro atómico. Dicha estructura consiste en una serie de líneas que aparecen en una placa fotosensible cuando una muestra de átomos emite radiación, consecuencia del pasaje, en cada átomo, de un electrón de un estado cuántico a otro. Se conoce como espectro a dicho conjunto de líneas y puede ser entendido como la huella digital de un átomo. ¡No hay dos átomos cuyo espectro sea igual! De no tener en la medición la precisión suficiente, se mediría siempre el mismo nivel de energía, y no los varios niveles que están demasiado cercanos en valor. Paralelamente, estas mediciones permiten comparar los resultados con los valores de energía calculados a partir de la teoría, que incorpora varios efectos muy sutiles. Esto sirve para probar la validez de la propia teoría.

La búsqueda de exactitud y de universalidad completa en la descripción de la naturaleza ha llegado a liberar las unidades patrones de objetos físicos concretos. El metro, el segundo y, desde 2018, el kilogramo se definen hoy a partir de valores sucesivamente más exactos de las constantes fundamentales de la naturaleza: la constante de Planck, la velocidad de la luz en el vacío, el número de Avogadro y la constante de estructura fina. Desde luego, también fue necesario medirlas con precisión

Oliverio Jitrik Mercado tiene un Doctorado por la Universidad Autónoma de México en Ciencias (Física), se especializó en Física Atómica y Molecular, en cálculos de la estructura electrónica de átomos ligeros y probabilidades de transición. Es autor, coautor y editor de varios artículos y libros en materias de su especialidad. Ha trabajado en la elaboración de materiales educativos para niños y jóvenes. Actualmente se dedica a editar y elaborar textos de educación ambiental.

John Chervinsky (1961-2015) fue un fotógrafo autodidacta e ingeniero en física aplicada con sede en Harvard. En su serie Experiment in Perspective, Chervinsky pone en diálogo el arte con la ciencia para acercarnos al espíritu dinámico y emocionante de esta rama. photo-eye Gallery representa su trabajo. www.photoeye.com | Instagram @photoeye_gallery