Brian D. Josephson es el padre de la fórmula más precisa de toda la física

Por Francisco R. Villatoro, el 3 agosto, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Historia • Personajes • Physics • Recomendación • Science ✎ 7

El voltio se define usando la fórmula más precisa de toda la física, la frecuencia de un oscilador de unión Josephson. En concreto, el voltio estándar se define desde 1990 como el voltaje necesario para producir una frecuencia de 483.5979 MHz en un oscilador de unión Josephson. El físico Brian David Josephson (80 años), profesor emérito de la Universidad de Cambridge, recibió el Premio Nobel de Física de 1973 por su predicción del efecto Josephson. En 1962 predijo que una corriente superconductora podría atravesar un aislante gracias al efecto túnel cuántico de los pares de Cooper. La medida más precisa de toda la física es la diferencia entre los niveles energéticos de dos uniones Josephson que difiere en menos de 3 partes en 1019 para un nivel de energía de 0.0003 electronvoltios; para ello se usa un dispositivo SQUID.

Lo más relevante es que el resultado no depende de los materiales ni el diseño de las uniones Josephson usadas (porque la superconductividad es una propiedad macroscópica emergente y, por tanto, independiente de los detalles microscópicos). Pero lo más sorprendente de la medida más precisa de toda la física es que se alcance en la interacción entre dos cuerpos macroscópicos formados por billones de átomos. Normalmente, las medidas más precisas suelen estar asociadas a sistemas microscópicos formados por muy pocas partículas fundamentales. Que un joven de 22 años realice una predicción teórica que revolucione el campo de la metrología es una excelente demostración del impacto de la ciencia básica.

Nos lo contó de forma exquisita Donald G. McDonald, «Superconductivity and the Quantization of Energy,» Science 247: 177-182 (12 Jan 1990), doi: https://doi.org/10.1126/science.247.4939.177 [PDF]; nos lo ha recordado Ross H. McKenzie, «The most accurate equations in all of physics,» Condensed Concepts, 13 Jul 2020; ver también Ross H. McKenzie, «Why Josephson matters,» Condensed Concepts, 24 Jun 2020. La medida más precisa se publicó por primera vez en A. K. Jain, J. E. Lukens, J. -S. Tsai, «Test for relativistic gravitational effects on charged particles,» Phys. Rev. Lett. 58: 1165-1168 (1987), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.1165 [PDF].

Si te interesan las historias curiosas de la historia de la ciencia, te recomiendo leer a Philip W. Anderson, «How Josephson discovered his effect,» Physics Today 23: 23-29 (1970), doi: https://doi.org/10.1063/1.3021826 [PDF], y a Donald G. McDonald, «The Nobel Laureate Versus the Graduate Student,» Physics Today 54: 46-51 (2001), doi: https://doi.org/10.1063/1.1397394. El artículo premiado con el Nobel es Brian D. Josephson, «Possible new effects in superconductive tunnelling,» Physics Letters 1: 251-253 (1962), doi: https://doi.org/10.1016/0031-9163(62)91369-0.



7 Comentarios

  1. Gracias Francis
    (perdona que te tutee)
    Entonces el resto de unidades físicas de electricidad se derivan del volt (C, A, Ohm,….)?
    Muchas gracias y un abrazo

    1. Javier, desde 1998 se está reclamando un nuevo sistema internacional de unidades eléctricas, pero en la última reunión del CIPM en 2018 no se cambiaron. Tanto el voltio (efecto Josephson) como el ohmio (efecto Hall cuántico) se pueden definir usando constantes fundamentales como h y e, a diferencia del amperio.

      1. Francis, no estoy seguro de entender la última parte de tu comentario. He mirado en Wikipedia las definiciones de Voltio, Ohmio y Amperio y es cierto que el Amperio es el único con una definición basada en magnitudes clásicas.

        Pero puedes definir Amperio como la división entre 1 Voltio y un Ohmio, no? Con lo cual te queda en términos de las constantes fundamentales. Qué es lo que me estoy perdiendo? Es que al dividir Voltio entre Ohmio, la definición de Amperio quedaría «de segunda mano»?

        1. JJ, quizás no me he explicado bien. Las unidades básicas y las unidades derivadas del Sistema Internacional de Unidades son decididas por el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM). El amperio es una unidad básica; el voltio y el ohmio son unidades derivadas. Como podemos medir el voltio y el ohmio con mucha mayor precisión que el amperio, se está discutiendo desde hace más de 20 años en las reuniones del CIPM si el amperio debería dejar de ser una unidad básica, siendo sustituida por el voltio; hasta donde me consta, aún no se ha aprobado el Nuevo Sistema Internacional de Unidades reclamado por muchos expertos.

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