Perché cambiano le definizioni di
pesi e misure?
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa (INMRI – ENEA)
La Conferenza generale dei pesi e
delle misure riunita a Versailles ha rivoluzionato il Sistema internazionale
delle unità di misura, cambiando sette definizioni fondamentali. Ecco come (e
perché)Due pesi e due misure. Anzi: sette pesi e sette misure. Nuove di zecca.
Gli esperti della Conferenza generale dei pesi e delle misure (Cgpm), riuniti
in sessione plenaria a Versailles – erano presenti i delegati di 62 paesi di
tutto il mondo – hanno appena approvato il nuovo Sistema internazionale delle
unità di misura (Si), ridefinendo de facto le definizioni di sette unità di
misura fondamentali: chilogrammo, metro, secondo, ampere, kelvin, mole e
candela. Le novità sono state presentate il 20 novembre a Roma, nella
conferenza stampa Innovation in Measurement – Diamo il benvenuto al nuovo
Sistema internazionale delle unità di misura, tenuta dagli esperti
dell’Istituto nazionale di ricerca metrologica (Inrim), l’ente italiano che
contribuisce a realizzare, mantenere e sviluppare i campioni nazionali di
riferimento delle unità di misura del Sistema internazionale, garantendo così
la riferibilità di ogni misurazione al sistema stesso. Si tratta, dicono i
promotori dell’iniziativa, di un cambiamento epocale nella metrologia (la
scienza che, per l’appunto, studia la misurazione delle grandezze fisiche e
sceglie i sistemi di unità di misura più appropriati), perché lega le
definizioni delle unità fondamentali a costanti fondamentali della fisica e non
a oggetti materiali (come per esempio il campione del chilogrammo conservato a
Sèvres) soggetti a cambiamento nel tempo.“Mi emoziona parecchio seppellire il
vecchio chilogrammo”, ha commentato in proposito Stephan Schlamminger, fisico
dello Us National Institute of Standards and Technology (Nist), “Mi sento un
po’ nostalgico e triste, ma so che il nuovo sistema sarà migliore del vecchio”.
Pesi e misure, un po’ di storia
Per comprendere portata e motivi
del cambiamento è necessario anzitutto ripercorrere le tappe fondamentali della
definizione delle grandezze fondamentali e delle unità di misura. Il Sistema
internazionale è nato a opera della Conférence générale des poids et mesures e
del Bureau international des poids et mesures (Bipm), istituiti nel 1875 in
seno alla cosiddetta Convenzione del metro. Nel corso della prima conferenza,
che si tenne nel 1889, fu istituito il sistema Mks, che comprendeva le unità
fondamentali di lunghezza(metro), peso (chilogrammo) e tempo (secondo).
Bisognerà aspettare quasi mezzo secolo per il primo ampliamento: nel 1935, su
proposta del fisico italiano Giovanni Giorgi al sistema fu aggiunto l’ohm,
unità di misura della resistenza elettrica; successivamente, nel 1946, l’ohm fu
sostituito dall’ampere, unità di misura della corrente elettrica. Con la decima
conferenza generale dei pesi e delle misure, nel 1954, furono aggiunti il
kelvin, per la misura della temperatura, e la candela, per la misura
dell’intensità luminosa. Nel 1972, infine, la quattordicesima conferenza sancì
l’aggiunta della mole, per la misura della quantità di sostanza, completando
così le sette grandezze fisiche fondamentali e le corrispondenti unità di
misura in uso ancora oggi.
Grandezze fondamentali e
grandezze derivate
Dalle grandezze fondamentali si
ricavano poi le cosiddette grandezze derivate, ossia tutte quelle che si
possono esprimere come loro prodotto o rapporto. L’energia, per esempio, che
nel Sistema internazionale si misura in joule, dimensionalmente equivalente al
prodotto di chilogrammo per metro al quadrato diviso secondo al quadrato. O la
potenza, che si misura in watt ed equivale dimensionalmente al rapporto tra
joule e secondo. La resistenza, che originariamente era stata inclusa nelle
grandezze fondamentali, è espressa oggi nel Sistema internazionale come
rapporto tra il potenziale elettrico (a sua volta rapporto tra energia e
corrente) e corrente elettrica. E così via.
Basta campioni in cassaforte
Dato un sistema apparentemente
così coerente e preciso, da dove viene allora la necessità di modificarlo e
aggiornarlo? Il problema è di precisione, stabilità e riproducibilità, tre
caratteristiche che, va da sé, sono fondamentali nella definizione di un
sistema di unità di misura. “Prendiamo per esempio il secondo, unità
di misura del tempo”, ci racconta Marco Pisani, metrologo e ricercatore Inrim.
“Storicamente, il secondo era definito come una frazione [1/86400, per la
precisione, nda] del giorno solare medio”. Tuttavia, poiché a causa di diversi
fattori (interazione gravitazionale Terra-Luna, forza delle maree, fusione dei
ghiacciai alle alte latitudini), il giorno solare medio si sta
impercettibilmente ma inesorabilmente allungando, una definizione siffatta non
può certo dirsi universale, tanto che nel 1956 la Cgpm ridefinì l’unità di
misura in termini di rivoluzione terrestre attorno al Sole nel 1900 (“la
frazione di 1/31556925,9747 dell’anno tropico per lo 0 gennaio 1900 alle ore 12
tempo effemeride”). Fino ad arrivare, nel 1967, a una definizione finalmente svincolata
dal movimento terrestre e legata invece alla radiazione emessa da un isotopo
del cesio, un intervallo temporale misurabile con estrema precisione grazie
agli orologi atomici. “Stesso discorso per il metro, che in passato era
definito come una frazione del meridiano terrestre e poi è stato invece legato
alla velocità della luce”, prosegue Pisani. “Il senso delle nuove definizioni è
proprio questo: riferire tutte le unità di misura delle grandezze fondamentali a
costanti della fisica, che abbiamo stabilito con estrema precisione, anziché a
campioni materiali, più soggetti a incertezza e a cambiamenti nel corso del
tempo”, dice Pisani. Quello che è appena avvenuto con il
chilogrammo è l’esempio più lampante: finora l’unità di peso era definita
attraverso un campione conservato a Sèvres, al quale tutti gli enti metrologici
nazionali dovevano fare riferimento per la realizzazione del proprio campione.
Da maggio 2019, quando entreranno in vigore le misure appena votate a
Versailles, il chilogrammo sarà invece definito considerando il valore numerico
della costante di Planck h, fissato a 6,626070040×10-34joule per secondo. “Per
gli scienziati, comunque”, ci tiene a precisare Pisani, “non cambierà nulla dal
punto di vista operativo perché il valore delle unità non cambia, cambia solo
il metodo per realizzarle. L’impatto di questo cambiamento sarà principalmente
il fatto che le unità di misura potranno essere realizzate da chiunque in
qualunque parte del mondo e permetterà in prospettiva di effettuare misure sempre
più precise e quindi favorire lo sviluppo di nuove scoperte e nuove
tecnologie”.
Così cambiano le definizioni
Ecco, nello specifico, come
cambieranno le definizioni delle sette unità di misura fondamentali:
Chilogrammo
Prima. La massa del cilindro di platino-iridioconservato
all’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure a Sèvres.
Dopo. Sarà ridefinito in termini della costante di Planck, sarà
realizzato attraverso una speciale bilancia detta bilancia di Kibble e non sarà
più necessario riferirsi al campione di Sèvres.
Ampere
Prima. L’intensità di corrente che, se mantenuta in due conduttori
lineari paralleli di lunghezza infinita e sezione trascurabile, posti a un
metro di distanza l’uno dall’altro nel vuoto, produce tra questi una forza pari
a 2×10^-7 newton per ogni metro di lunghezza.
Kelvin
Prima. La frazione pari a 1/273,16 della temperatura assoluta del
punto triplo dell’acqua
Dopo Definito a partire dal valore numerico della costante di
Boltzmann k, ovvero 1,38064852×10^-23 joule su kelvin.
Mole
Prima. La quantità di sostanza di un sistema che contiene un numero
di entità pari al numero degli atomi presenti in 12 grammi di carbonio-12.
Dopo. La mole sarà legata alla costante di Avogadro: contiene
esattamente 6,022214076×10^23 entità elementari (atomi, molecole e così via).
Metro
Il metro è già oggi definito a partire
dal valore numerico fissato della velocità della luce nel vuoto pari a
299.792.458 metri al secondo.
Candela
La candela è già oggi definita
dal valore numerico fissato dell’efficacia luminosa di una radiazione
monocromatica di frequenza 540×10^12 hertz, fissato a 683 quando espresso in
lumen per watt (eguale a una candela steradiante per watt).
Secondo
Il secondo è già oggi definito
dal valore numerico fisso dell’inverso della frequenza di transizione tra due
livelli iperfini del cesio-133, pari a 9192631770 hertz.
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