Fisica: il nuovo chilogrammo e la rivoluzione della misura

La misura a noi sembrerà un concetto banale e semplice, ma è il cardine di tutta la fisica sperimentale e l’ingegneria moderna. È l’anello di collegamento tra la teoria e la pratica ed è l’unico messo che abbiamo per indagare la natura in modo preciso e costruire dispositivi sempre più innovativi come gli odierni smartphone.

La definizione di misura è comunque molto semplice: misurare significa confrontare la grandezza che si vuole misurare con un campione fissato omogeneo a quella grandezza. In pratica potete prendere un ramoscello, appoggiarlo sopra la vostra tavola e vedere quante volte ci sta. Il ramoscello in questo caso sarà il vostro campione e la lunghezza della tavola la grandezza da misurare. È totalmente arbitrario definire il campione di una certa grandezza. Ed è proprio per questo motivo che al mondo esistono centinaia di unità di misura diverse: ogni popolazione ha preso quello che aveva a disposizione per misurare e sono nati così i nodi, le libbre, le miglia, le once, i galloni, ecc.

Misurare pare così semplice, ma è proprio così scontato?

Attualmente però la comunità scientifica internazionale si è accordata per utilizzare una serie di campioni o unità di misura standardizzate, così da facilitare la ricerca in cooperazione tra diversi paesi. Il cosiddetto SI (Sistema Internazionale di misura) è un accordo che prevede di utilizzare 7 unità di misura fondamentali, combinando le quali si possono ottenere tutte le altre, e sono il metro per la lunghezza, il chilogrammo per la massa, il secondo per il tempo, l’ampere per l’intensità di corrente, la candela per l’intensità luminosa, la mole per la quantità di sostanza, il grado kelvin per la temperatura. Definire un’unità di misura che cosa significa? Come abbiamo detto prima significa semplicemente prendere un oggetto e utilizzare una delle sue proprietà fisiche come mezzo di confronto.

Le grandezze del Sistema Internazionale

Così è stato anche agli albori del Sistema Internazionale di misura, dopo la Rivoluzione Francese, durante un’assemblea presieduta da Lagrange elaborò il sistema metrico decimale. Allora si fissarono solo 3 unità di misura: il metro, il chilogrammo e il secondo. Le altre furono aggiunte in seguito a scoperte scientifiche più recente. Vennero forgiati dei campioni di queste unità di misura in base alle seguenti definizioni: un metro è equivalente ad un 1/10 000 000 del quarto del meridiano terrestre mentre il chilogrammo era stato fissato come la massa di di un litro (decimetro cubo) di acqua distillata alla temperatura di 3,98 °C. I campioni, realizzati in una speciale lega di platino-iridio particolarmente resistente agli effetti di dilatazione termica e altre cause di errore, sono ancora oggi conservati a Sèvres.

Il metro campione, realizzato in una particolare lega di platino-iridio e una forma peculiare per ridurre al minimo le variazioni dovute a temperatura e all’usura

Dal metro campione e chilogrammo campione si sono poi ricavati altri campioni da utilizzare e periodicamente confrontare con le unità di misura originali. Se infatti tutti non usassimo lo stesso “metro” sarebbe impossibile scambiare informazioni sulle misurazioni. Inoltre, se l’unità di misura varia nel tempo perché ad esempio il campione si logora, si otterrebbero delle misure falsate ed inutili a fini scientifici.

Ecco perché nell’epoca moderna si è preferito riadattare i campioni utilizzando strategie diverse, in modo da avere un riferimento universale e soprattutto costante nel tempo ed in ogni condizione. Nasce così la necessità di rinnovare il chilogrammo e altre unità di misura.

Il chilogrammo campione, ben protetto dall’ambiente esterno per evitare che venga intaccato e rovinato. Le campane di vetro evitano il depositarsi di polvere che potrebbe variarne il peso

Chilogrammo: tutti destinati a cambiare la bilancia?

Molte unità di misura definite in modo antiquato sono già state rimodernate. Questo non vale per il chilogrammo, che è ancora riferito al vecchio cilindretto di platino-iridio realizzato circa 130 anni fa.

Tra pochi giorni, precisamente dal 13 al 16 novembre, partirà però la Conferenza generale su pesi e misure (Cgpm) – queste conferenze si tengono periodicamente per adattare il sistema di misura alle nuove sfide della fisica e tecnica – che deciderà sul futuro del chilogrammo e delle altre unità di misura con un campione obsoleto. Si riuniranno i rappresentanti di 60 paesi e voteranno insieme per ridefinire in nuovi parametri che entreranno a far parte del Sistema Internazionale delle unità di misura (SI) a partire da maggio 2019. In sostanza si vuole abbandonare l’uso di campioni fisici, soggetti a logorii e fluttuazioni, favorendo invece l’uso di costanti fisiche universali come mezzo di confronto nelle misurazioni. Esistono infatti dei fenomeni fisici legati a dei valori costanti, che non variano nel tempo e nello spazio perché parametri intrinseci dell’universo stesso. Vito Fernicola, che parteciperà alla conferenza di Versailles in quanto consigliere dell’Istituto nazionale di ricerca metrologica (Inrim) e vicepresidente di Accredia ovvero l’ente che accredita laboratori di prova e caratura, ha riferito all’agenzia di stampa ANSA:

E’ necessario collegare in maniera più solida le unità di grandezza a parametri che siano invariabili e universali. Se il campione che definisce le unità di misura cambia nel tempo, anche di pochissimo, l’intero sistema di unità di misura non è più stabile.

Anche se nella vita quotidiana può sembrare irrilevante una fluttuazione di pochi micron, o frazioni di grammo, quando ci confrontiamo con eventi estremamente piccoli, ad esempio i fenomeni quantistici, rischiamo di rendere inutilizzabili le misurazioni. Questo ha un impatto molto forte anche nelle nostre vite quotidiane: pensiamo ad esempio al nostro smartphone, con l’ultimo processore realizzato a 7 nm (un nanometro è un miliardesimo di metro) o il sistema GPS che da migliaia di chilometri da terra devono mappare la posizione dei nostri mezzi di trasporto oppure ancora in ambito medico, dove il dosaggio dei farmaci è fondamentale per evitare effetti collaterali.

Misurare e testare i microchip è fondamentale per poter procedere alla commercializzazione

Ad oggi alcune unità di misura sono già state ridefinite in funzione di costanti universali. Il metro ad esempio è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 di secondo (assumendo che la velocità della luce nel vuoto è per definizione 299 792 458 m/s che è una costante universale appunto). Il secondo invece è definito come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133. La candela invece è definita come l’intensità luminosa in una data direzione di una sorgente che emette radiazione monocromatica alla frequenza di 540 × 10¹² Hz con intensità radiante in quella direzione di valore pari a 1/683 watt in uno steradiante. Forse tutti questi paroloni non vi diranno nulla, ma fanno dormire tranquilli migliaia di fisici in tutto il mondo, sapendo che tutte le loro misurazioni sono tenute al sicuro dalle costanti universali.

Meccanismo di misura del secondo

Durante l’assemblea verranno quindi aggiornate le definizioni di chilogrammo, ampere e grado kelvin, in funzione di alcune costanti universali. L’unità di misura della massa verrà ridefinita in funzione della costante di Planck, il numero magico che nel secolo scorso ha permesso di dare inizio alle ricerche sulla meccanica quantistica.

Ma quindi tra qualche mese dovremo tutti cambiare bilancia? Assolutamente no. Ridefinire un’unità di misura non ne varia il valore, semplicemente cambia il fenomeno fisico che utilizziamo per fare la misura. In sostanza è come se voi buttaste il vostro fragile bastoncino di legno per utilizzare invece una solida sbarretta di metallo della stessa grandezza.

Un orologio atomico basato sul Cesio, il più preciso al mondo nel misurare il tempo

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