SCIENZA E RICERCA

La rivoluzione scientifica del chilogrammo

Venerdì 16 novembre 2018 a Versailles, con la Conférence générale des poids et mesures (Conferenza generale dei pesi e delle misure, CGPM) verrà votato e formalmente approvato il nuovo Sistema Internazionale (il SI) che entrerà in vigore dal 20 maggio 2019 (l'evento si potrà seguire online). Si tratta di una rivoluzione fondamentale per il mondo della scienza sia per le innovazioni che porta, sia per il processo che ha portato a una rivoluzione di questo tipo. 
Facciamo, però, qualche passo indietro. Il Sistema Internazionale è l’insieme delle sette unità di misura cosiddette “fondamentali”: l’ampere che misura l’intensità di corrente elettrica, la candela che misura l’intensità luminosa, il metro per la lunghezza, il chilogrammo per la massa, la mole per la quantità di sostanza, il kelvin per la temperatura e il secondo per l’intervallo di tempo. Da queste sette unità ne derivano altre, le “derivate” appunto, come ad esempio l’unità per misurare la potenza, la frequenza oppure l’energia.


Ma da dove arriva l’idea di un Sistema Internazionale e perché sta cambiando? Ne abbiamo parlato con Luca Callegaro dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica italiano (INRiM). “Il SI attuale è l'evoluzione di scelte che risalgono all’epoca della rivoluzione francese – racconta Callegaro – quando si è deciso di adottare un sistema di misura universale, fuori dal dominio di re e potenti, uguale per tutti e a cui tutti potessero accedere”. Esistevano infatti centinaia di unità di misura solo in Francia, un grosso problema di metrologia legale, disciplina che ha il compito di garantire la correttezza delle misure per le transazioni commerciali e quindi i rapporti economici. 
“Poi ci si è accorti che non bastava avere nemmeno ‘misure universali’ – continua Callegaro – perché ‘universale’ non significa ‘accessibile’. Ad esempio nel 1791 il metro fu definito come una frazione di un quarto del meridiano terrestre, cioè la distanza tra il polo nord e l’equatore, una misura universale ma difficile da realizzare e quindi poco accessibile.” Dal 1983 il metro è invece definito partendo da una costante universale secondo la fisica contemporanea: il valore della velocità della luce. 
“Con l’esempio del metro – aggiunge Callegaro- si capisce perché il SI ha bisogno di cambiare ed essere aggiornato. A differenza del metro, infatti, il chilogrammo è oggi definito come la massa del 'chilogrammo prototipo internazionale' (“le grand K”), un cilindro di lega di platino e iridio, grande quanto una pallina da golf e conservato al Bureau international des poids et mesures (l’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure, BIPM) insieme ai “testimoni del prototipo”, cioè sei cilindri uguali identici a quello originale. Il prototipo internazionale ha per definizione la massa di un chilo.” Questo cilindro risale al 1889 e in linea di principio la sua massa dovrebbe essere rimasta costante da allora. E invece no: negli i anni si sono verificate delle divergenze di massa del prototipo e dei suoi testimoni. Il sospetto è che il prototipo internazionale possa aver cambiato la sua massa. 

“Con il nuovo SI le sette unità di misura di base vengono ridefinite; verranno separate dall'oggetto fisico, o dal materiale, e ognuna verrà definita a partire da una costante fondamentale, che avrà un valore fissato esattamente.” Luca Callegaro, INRiM

Non cambierà solo la definizione di chilogrammo. In tutto verranno cambiate quattro definizioni di unità di misura: il chilogrammo, la mole, il kelvin e l’ampere. Il kelvin sarà definito a partire dalla velocità del suono, la mole sarà legata al numero di Avogadro, il chilogrammo sarà legato alla costante di Planck, l’ampere sarà definito riferendosi alla carica elementare. Le altre tre unità (secondo, metro, candela) resteranno invariate per quanto riguarda la definizione della fisica su cui si basano, anche se la definizione cambierà un po’ nella forma. Ma a noi cambia qualcosa? Non cambia niente, non dobbiamo pensare che da maggio 2019 sulla bilancia leggeremo un numero diverso da prima o di dover cambiare tutti i metri e i righelli. “I cambiamenti nella 'taglia' delle unità di misura saranno invisibili per le persone, il commercio e l'industria, e percepibili solo dagli istituti metrologici delle diverse nazioni. Cambierà qualcos'altro", racconta Callegaro.

“Con queste nuove definizioni – spiega Callegaro – la ‘realizzazione dell'unità’, cioè l'esperimento che mette in atto la definizione, potrà essere fatto ovunque e da chiunque, perché le costanti fondamentali sono accessibili sempre e a tutti". Il chilogrammo, ad esempio, potrà essere realizzato con un esperimento, senza dover per forza confrontare il proprio cilindro con il prototipo internazionale.

Con le nuove definizioni del SI sarà anche possibile realizzare direttamente frazioni dell’unità fondamentale, come il milligrammo o il nanoampere, senza determinare prima il valore “uno” dell’unità di misura e derivare di conseguenza i sottomultipli per lunghi confronti e tarature come viene fatto adesso. Non è ancora possibile oggi, ma bilance o strumenti elettrici del futuro potrebbero integrare la realizzazione dell'unità e non dover essere ritarati periodicamente.

Come ricaduta pratica, il nuovo SI favorirà la costruzione di nuovi strumenti di misura, per avere risposte sempre più precise nelle misurazioni in vari campi come il monitoraggio dell’inquinamento e del riscaldamento globale, o le misure farmacologiche.

“Se una volta il mondo aveva bisogno in sostanza di metrologia legale, il mondo di oggi e di domani ha sempre più bisogno di metrologia scientifica, per avere misure sempre più accurate in campi sempre nuovi” Luca Callegaro, INRiM

Come si arriva a una rivoluzione scientifica di questo tipo? “L'istituto metrologico italiano è l'INRiM, ma non siamo soli: alla metrologia si lavora in rete in tutto il mondo", racconta Callegaro. Ogni nazione ha il suo istituto di metrologia, che è rappresentativo dell’unità nazionale. Le Nazioni firmano la “Convenzione del Metro”, un trattato internazionale istituito nel 1875 di cui l’Italia è uno dei fondatori, e ci sono poi organizzazioni regionali come l’EURAMET in Europa, l'associazione degli istituti metrologici dei paesi europei. Vista l'importanza del tema nel campo scientifico e non solo, non mancano le iniziative volte a valorizzare la cultura delle misure come il Forum nazionale delle misure, organizzato congiuntamente dal Gruppo di Misure Meccaniche e Termiche (GMT) e dal gruppo di Gruppo Misure Elettriche ed Elettroniche (GMEE) all’università di Padova nel settembre scorso.

Da anni si lavora alla definizione del nuovo SI e la Convenzione del Metro ha deciso su quale delle varie proposte avanzate dai vari istituti si sarebbe basato il nuovo SI. “I ricercatori – racconta Callegaro – hanno lavorato moltissimo in tutto il mondo. Un gran lavoro di rete, e alla fine ce l’abbiamo fatta, ovviamente con grande soddisfazione di chi, come alcuni colleghi dell'INRiM, ha visto i risultati dei propri esperimenti rientrare nei valori numerici delle costanti fondamentali fissate nel nuovo SI”. Arrivare al nuovo Sistema Internazionale è stata una sorta di “gara scientifica”, una “corsa allo spazio” nel campo delle misure. Però di chi ha vinto la conquista della Luna conosciamo bene l’identità, mentre per la rivoluzione del sistema delle misure non ricorderemo firme. Nell’epoca in cui si parla spesso della democraticità o meno della scienza, siamo di fronte all’esempio di un risultato universale, frutto di un processo e di un lavoro collettivo.

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