Kit Lego para medir la constante de Planck

Si conocéis a alguna física o físico y no sabéis qué pedirle a los reyes magos de su parte, no os preocupéis más. ¿Qué mejor regalo que el poder medir una de las constantes fundamentales del universo en tu casa? 

La constante de Planck es sin duda una de las magnitudes fundamentales más interesantes para los físicos, o al menos para los físicos cuánticos. Es la magnitud que separa lo microscópico y lo macroscópico, y su existencia no fue descubierta hasta 1900. En ese año el científico Max Planck la introdujo para explicar el espectro del cuerpo negro mediante la llamada Ley de Planck. Poco después de que Planck formulara su teoría, esta misma fue aplicada por Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico. 

La constante de Planck tiene unidades de acción, es decir de energía por tiempo, y su valor es extremadamente bajo, $h=6.62\, 10^{-34} m^2 kg/s$. Esta pequeñez de la constante de Planck es el principal motivo por el que no vemos efectos cuánticos en nuestro mundo macroscópico (pero no el único, véase este post, y este otro). 

Recientemente, la constante de Planck ha tomado aún más importancia. Imagino que muchos lectores y lectoras habrán aprendido que la definición de kilogramo es la siguiente:

El kilogramo o quilogramo (símbolo kg) es la unidad básica de masa del Sistema Internacional de Unidades (SI), y su patrón se define como la masa que tiene el prototipo internacional, compuesto de una aleación de platino e iridio, que se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, cerca de París (Francia)

Bueno, pues no lo será en breve. El Comité Internacional de Pesas y Medidas ha propuesto un cambio que podría ser aceptado pronto. La nueva definición será:

The kilogram, kg, is the unit of mass; its magnitude is set by fixing the numerical value of the Planck constant to be equal to exactly 6.62606X×10⁻³⁴ when it is expressed in the unit 
s⁻¹·m²·kg, which is equal to J·s.

Es decir, que en vez de tener un patrón para el kilogramo y calcular a partir de él la constante de Planck, fijamos el valor de la constante de Planck, y a partir de ahí decidimos qué es un kilogramo. 

Esta nueva definición anima a buscar nuevas y más exactas maneras de medir la constante de Planck, y lo que es más importante, de relacionarla con la masa de los cuerpo. Esta tarea es la que han abordado en un reciente artículo. A LEGO Watt Balance: An apparatus to demonstrate the definition of mass based on the new SI. La idea es medir esta constante, pero usando materiales de Lego, de una forma barata y muy pedagógica. 

Este es un esquema del dispositivo que proponen, y que llaman Lego Watt Balance.

La idea es sencilla. Colocas una masa en una balanza y compensas su peso mediante un campo magnético generado por una corriente eléctrica. De esta manera puedes relacionar la masa con la corriente, que puedes medir fácilmente. Véase en la siguiente figura las fuerzas que juegan un papel.

La relación con la constante de Planck es algo más compleja, y requiere entender dos importantes efectos cuánticos, el Efecto Josephson y el Efecto Hall cuántico. Si estáis interesados en los detalles, siempre podéis ir a la referencia original. 

Este es el aspecto de tres prototipos del invento. Se encuentran además en una urna, para evitar verse afectados por el aire, y tienen cuatro patas ajustables para balancearlos. Los autores afirman que puede medir un gramo con una precisión del 1%. 

El coste total es de unos 650 dólares americanos. No es barato, pero totalmente asumible por parte de universidades e institutos. Además, es de esperar que se busquen alternativas a los componentes que abaraten el precio. ¿No os parece un experimento genial para realizar tanto en secundaria como en la universidad? 

(Visto en MIT Technology Review)

PS: Podéis también regalar el kit de Lego de mujeres científicas que mola un montón.