Calibración y trazabilidad: de dónde saca su autoridad una cifra
La calibración es el único procedimiento capaz de detectar un sesgo, porque un sesgo no deja rastro dentro de los datos que corrompe. La trazabilidad prolonga esa comparación única en una cadena que llega al SI, y eso es lo que permite comparar una medición hecha en un laboratorio con otra hecha en otro décadas después.
Qué hace realmente calibrar
Calibrar es comparar. Al instrumento bajo prueba se le presenta una magnitud cuyo valor ya se conoce con mejor exactitud, y se registra la diferencia entre la lectura y el valor conocido. El resultado no es un instrumento reparado, sino un documento: un certificado de calibración que declara la corrección a aplicar y la incertidumbre de esa corrección.
Esta distinción se pierde habitualmente. Calibrar un aparato no lo hace exacto; hace que su inexactitud sea conocida y por tanto corregible. Un instrumento con un desplazamiento grande pero bien caracterizado es más útil para trabajo de precisión que uno con un desplazamiento pequeño pero desconocido, porque el primero puede corregirse y el segundo no.
La referencia debe ser mejor que el instrumento, y con holgura; la regla práctica habitual habla de un factor de tres a diez en incertidumbre. Calibrar un aparato contra otro de la misma calidad produce una comparación en la que ninguno de los dos es la autoridad, y eso solo establece que concuerdan - y dos instrumentos pueden concordar estando ambos equivocados si comparten un error común.
Por eso la calibración es lo único que separa precisión de exactitud. Nada interno a un conjunto de datos revela un desplazamiento constante, porque un desplazamiento constante es perfectamente consistente consigo mismo. La comparación tiene que venir de fuera, lo que significa que la autoridad de una medición descansa en última instancia en una cadena de referencias externas y no en nada que haga el propio instrumento.
La cadena ininterrumpida
Trazabilidad significa que la referencia usada para una calibración fue ella misma calibrada contra una mejor, y así sucesivamente, en una cadena documentada que termina en una realización de la unidad del SI. Cada eslabón tiene su propia incertidumbre, y las incertidumbres se acumulan al descender la cadena. Un instrumento de trabajo en un banco es por tanto siempre menos cierto que el patrón nacional varios pasos por encima, en una cantidad conocida y cuantificada.
La cadena la mantienen los institutos nacionales de metrología - el PTB en Alemania, el NIST en Estados Unidos, el NPL en el Reino Unido y sus equivalentes en otros países -, que realizan las unidades de forma independiente y comparan sus realizaciones entre sí en ejercicios internacionales de comparación. Esas comparaciones se publican, y así la concordancia entre patrones nacionales es ella misma una magnitud medida y no una suposición.
Una afirmación de trazabilidad vale lo que vale su documentación. Un certificado debe identificar la referencia usada, la fecha, las condiciones y la incertidumbre; sin eso, decir que algo es trazable es una aserción y no un registro. En la medición regulada - contadores eléctricos, surtidores de combustible, dispositivos médicos, balanzas de uso comercial - el requisito documental es legal, y el campo se llama metrología legal.
La consecuencia práctica para cualquier afirmación técnica es simple. Una exactitud declarada es una afirmación sobre una cadena, y la cadena puede solicitarse. Cuando una cifra se describe como medida pero no la acompañan instrumento, referencia ni incertidumbre, la cadena no se ha mostrado, y la cifra todavía no es trazable a nada. Esto vale igual para un porcentaje de rendimiento o una potencia de salida que para una longitud.
El SI desde 2019
El sistema internacional de unidades se redefinió en mayo de 2019 de modo que las siete unidades básicas descansan sobre valores numéricos fijos de constantes físicas: la velocidad de la luz, la constante de Planck, la carga elemental, la constante de Boltzmann, la constante de Avogadro, la frecuencia de la transición hiperfina del cesio y la eficacia luminosa de una radiación especificada.
El kilogramo era la última unidad todavía definida por un objeto físico: un cilindro de platino e iridio cerca de París cuya masa era el kilogramo por definición. El problema práctico es que un artefacto puede rayarse, contaminarse o perderse, y las comparaciones a lo largo de décadas sugerían que había derivado respecto a sus copias oficiales en algunas decenas de microgramos. Una definición que puede derivar es un mal cimiento, porque la deriva es indetectable por definición: el artefacto siempre era exactamente un kilogramo, y todo lo demás se movía.
El kilogramo queda ahora fijado mediante la constante de Planck y se realiza con una balanza de Kibble, que relaciona potencia mecánica y eléctrica, o contando átomos en una esfera de silicio casi perfecta. Son experimentos difíciles y sus resultados concuerdan, lo que importa más que cualquiera por separado: dos realizaciones independientes que concuerdan constituyen una comprobación que ningún artefacto único podría ofrecer.
La idea útil aquí es la distinción entre definir y realizar una unidad. La definición es un número fijo y no puede cambiar. La realización es un experimento, puede mejorarse y puede llevarla a cabo cualquiera que tenga el aparato. Esa separación significa que la exactitud de medición puede mejorar indefinidamente sin que nadie tenga que renegociar qué significan las unidades, que es exactamente lo que impedía una definición por artefacto.
Calibrar lo que no se puede desmontar
Un detector grande no puede enviarse a un laboratorio de calibración. Un observatorio de neutrinos puede contener miles de toneladas de material y cientos o miles de tubos fotomultiplicadores repartidos por su interior, y su respuesta varía con la posición, el tiempo y la temperatura. La calibración tiene que hacerse in situ, con el instrumento montado y en funcionamiento.
Las técnicas son ingeniosas y comparten una misma lógica: introducir algo conocido y ver qué sale. Fuentes radiactivas de actividad conocida se descienden al volumen con cables, como hizo Borexino para cartografiar su respuesta posición por posición. Pulsos de luz de intensidad calibrada se inyectan por fibras ópticas para seguir la ganancia de cada tubo durante años. Los muones de los rayos cósmicos que atraviesan el detector aportan una señal gratuita, continua y bien entendida para la vigilancia. Procesos físicos conocidos con tasas bien medidas sirven como referencia por derecho propio.
IceCube afronta la versión más difícil de todo esto, porque su medio detector es un kilómetro cúbico de hielo antártico que nadie eligió y nadie puede modificar. Las propiedades ópticas de ese hielo varían con la profundidad, incluidas capas de polvo depositadas en climas pasados, y hubo que medirlas in situ con fuentes de luz y luego modelarlas. El modelo del hielo es por tanto una de las incertidumbres sistemáticas dominantes del experimento.
La consecuencia honesta es que la calibración nunca desaparece del todo de un resultado; se convierte en una contribución sistemática con su propia incertidumbre y aparece en el presupuesto de error como una línea. La deriva hace esto permanente en lugar de puntual: los detectores envejecen, los fotocátodos pierden sensibilidad, la electrónica se desplaza con la temperatura, y una calibración vale para un periodo y no para siempre. Un experimento que calibró una vez al principio y nunca más tiene un sesgo dependiente del tiempo sin cuantificar, y por eso la vigilancia continua se construye desde el principio y no se añade después.
Preguntas frecuentes
Calibrar un instrumento lo hace exacto?
No. Hace que la inexactitud sea conocida y por tanto corregible. El resultado de una calibración es un certificado que declara una corrección y su incertidumbre. Un instrumento con un desplazamiento grande pero bien caracterizado es más útil para trabajo de precisión que uno con un desplazamiento pequeño pero desconocido.
Qué significa trazabilidad?
Que la referencia usada para una calibración fue ella misma calibrada contra una mejor, y así en una cadena documentada que termina en una realización de la unidad del SI, con una incertidumbre declarada en cada eslabón. Las incertidumbres se acumulan hacia abajo, así que un instrumento de banco siempre es menos cierto que el patrón nacional superior.
Por qué se redefinió el kilogramo?
Porque era la última unidad definida por un objeto físico, y un artefacto puede rayarse, contaminarse o perderse. Las comparaciones sugerían que el prototipo había derivado respecto a sus copias en decenas de microgramos, y tal deriva es indetectable en principio: el artefacto era un kilogramo por definición, así que parecía moverse todo lo demás.
Cómo se realiza hoy un kilogramo?
Mediante un valor fijo de la constante de Planck, realizado con una balanza de Kibble que relaciona potencia mecánica y eléctrica, o contando átomos en una esfera de silicio casi perfecta. Ambos son experimentos difíciles, y que dos realizaciones independientes concuerden es una comprobación que ningún artefacto único podía ofrecer.
Cómo se calibra un detector que no puede desmontarse?
In situ, introduciendo algo conocido. Se descienden al volumen fuentes radiactivas de actividad conocida, se inyectan pulsos de luz calibrados por fibras ópticas, los muones cósmicos aportan una señal continua y gratuita, y procesos físicos bien medidos sirven de referencia. La calibración aparece después como su propia contribución sistemática en el presupuesto de error.
