Immaginate di dover spiegare ad un vostro conoscente cosa sia un chilogrammo, quanto pesi o quanto sia lungo un metro.
Ogni giorno inconsapevolmente utilizziamo le unità di misura, ma effettivamente queste non sono altro che delle convenzioni create dall’uomo per poter avere un metodo di paragone con un qualcosa di standard. Infatti nel momento in cui misuriamo, che sia una lunghezza o un arco di tempo, non facciamo altro che confrontare il nostro campione con un altro campione standard, definendo quanto differisce la nostra misura rispetto agli standard imposti.
Il 16 novembre 2018 è stata resa ufficiale la notizia secondo cui sono state ridefinite le unità di misura del sistema internazionale (SI) utilizzate fino ad oggi. Più di 50 nazioni riunite per la ‘conférence générale des poids et mesures‘ a Versailles nel nord della Francia, hanno votato affinché fossero apportati dei cambiamenti radicali alle definizioni delle unità di misura utilizzate. Tra queste c’è ad esempio il Chilogrammo, il Volt, il Newton ed altre.
Quali erano le precedenti definizioni?
Il punto fondamentale della questione è rendere i campioni utilizzati per le unità di misura più oggettivi possibile. Quale modo migliore allora se non definirle secondo le costanti dettate dalla natura? “Passiamo da un fondamento di definizioni di unità di base a valori esatti definite dalle costanti” questo è quanto afferma David Newell, fisico al NIST di Gaithersburg negli USA.
Gli scienziati hanno lavorato per decenni al fine di trovare delle unità di misura che fossero basate su delle invarianti della natura ed aumentare la precisione della loro definizione. Si prenda come esempio il secondo che è stato definito in diversi modi. Uno dei più antichi riguardava una frazione del giorno, più precisamente 1/86400 del giorno solare medio. La più recente risale al 1967 ed è definito come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133. Una delle prime definizioni del metro invece, è stata essere 1/10 000 000 del quarto meridiano terrestre che passava per Parigi, mentre una delle ultime riguarda la distanza che percorre la luce nel vuoto in un tempo pari a 1/299 792 458 di secondo, dove assumiamo che la velocità della luce sia c = 299 792 458 m/s.
E il chilogrammo?
Come si definisce il chilogrammo?
L’argomento che ha causato più grattacapi infatti è stata la definizione del chilogrammo, molto complicata da individuare.
Il chilogrammo è stato definito essere la massa di un cilindro fatto di una lega di platino-iridio. Le dimensioni di questo cilindro sono pari a 0,039 m sia di altezza che diametro. Il punto è che come si nota dalle definizioni di secondo o metro nelle quali vengono utilizzate delle proprietà fisiche che rientrano nella meccanica quantistica, per l’unità di misura della massa si utilizza un oggetto realizzato dall’uomo e non direttamente dalla natura. Per questo motivo tale cilindro, essendo metallico, è soggetto a tutte le microvariazioni causate ad esempio dalla temperatura e dalla polvere.
Per cui l’idea innovativa è quella di utilizzare la costante di Plank h come base dalla quale partire per ricavare la definizione, e tale scelta è stata fatta poiché essa rappresenta una costante della natura. Il tutto è partito da un articolo pubblicato nel 2005 sulla rivista Metrologia, nel quale cinque ricercatori reclamavano il fatto che fosse arrivato il momento di ridefinire in maniera più precisa anche il chilogrammo. La comunità scientifica si è quindi messa a lavoro guidata da una commissione governativa. Essa richiedeva di trovare il valore di questa costante in modo preciso da almeno tre esperimenti e utilizzando non meno di due metodi differenti.
Sono stati istituiti due esperimenti contemporaneamente: il primo al NIST, attraverso una bilancia di Watt, e il secondo mediante l’analisi di una sfera di silicio-28. Ci sono voluti circa due anni e l’intervento una terza bilancia di Watt della National Research Council in Canada per fare in modo che le misure combaciassero e dare un valore esatto della costante di Plank.
Situazione attuale
Nel SI ci sono sette costanti, tre delle quali sono determinate con estrema precisione e sono: la velocità della luce, la frequenza di transizione iperfine del cesio-133 e la luminosità efficace di una frequenza monocromatica di 540 THz. La sfida è stata quella di determinare con precisione le altre costanti.
Con l’ultima pubblicazione ufficiale la situazione è la seguente, come riportato dall’articolo https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.2.20181116a/full/:
| Foundational SI constants | |
|---|---|
| ∆νCs | 9 192 531 770 Hz |
| c | 299 792 458 m s–1 |
| h | 6.626 070 15 × 10–34 J Hz–1 |
| e | 1.602 176 634 × 10–19 C |
| k | 1.380 649 × 10–23 J K–1 |
| NA | 6.022 140 76 × 1023 mol–1 |
| Kcd | 683 lm W–1 |
Le costanti sopra riportate sono da considerarsi con una precisione di 10 ppb, ovvero di 10 parti per miliardo: una precisione estrema!
Come è stata effettuata la misura?
Alla base di tutto, come si è già visto c’è la costante di Plank. La bilancia di Watt, detta anche Kibble balance, si basa su misure elettromagnetiche. La nuova definizione di chilogrammo, che spiega anche i principi di funzionamento della bilancia, secondo la Società italiana di Fisica è:
” La bilancia equilibra il peso del campione di massa con la forza generata dalla corrente – misurata in termini di h attraverso l’ effetto Josephson (per definire la differenza di potenziale in termini di h/e2) e l’effetto Hall quantistico (per definire l’impedenza in termini di e/h) – in una bobina posta tra i poli di un magnete permanente.
Successivamente, la bobina è mossa con velocità costante e si misura la forza elettromotrice indotta – ancora in termini della costante h – per determinare la costante di proporzionalità tra la forza gravitazionale e la forza elettromagnetica.
La massa del campione è quindi ottenuta dal suo peso attraverso la misura dell’accelerazione locale di gravità“.
In termini semplici, è stata utilizzata una corrente elettrica per esaminare la sfera di silicio-28 e questo tipo di misura, che comporta diversi effetti quantistici, restituisce il peso del campione che viene bilanciato attraverso una determinata corrente elettrica passante in un filo, dove entra in gioco la costante di Plank h. A questo punto tutte le altre unità di misura derivate come il Newton e l’Ampere, saranno modificate di conseguenza. Tutto ciò non comporterà alcun cambiamento nella vita quotidiana, ma sarà molto utile ad esempio per misure che richiedono estrema precisione come quelle elettriche.
Fedele Delvecchio
