Numero 11 del 2019

Titolo: Scienza- Il chilogrammo è cambiato per sempre: ecco perché è importante

Autore: Maya Wei-Haas

Articolo:
(da «Nationalgeographic.it» del 21 maggio 2019)
Va in pensione «Big K», il cilindro di metallo da 1 Kg conservato sotto chiave in Francia: lo standard di massa adesso si basa su un valore che è «intrecciato con il tessuto dell'universo»
Sigillato da tre campane di vetro racchiuse l'una nell'altra, un cilindro di metallo scintillante è appoggiato in una cupola a temperatura controllata all'interno del Bureau International des Poids et Mesures (Ufficio Internazionale dei pesi e delle misure) a Sèvres, in Francia. Soprannominato Big K, questo solitario pezzo di platino e iridio ha definito la massa in tutto il mondo da oltre un secolo, dalle bilance da bagno a quelle dei laboratori medici, ma ora sta per cambiare tutto. Il 16 novembre 2018 i rappresentanti di oltre 60 paesi, nel corso della 26esima riunione della Conferenza generale su pesi e misure a Versailles in Francia, hanno deliberato di ridefinire il chilogrammo e oggi questo cambiamento ha finalmente effetto. Piuttosto che stabilire l'unità su questo oggetto fisico, d'ora in poi, la misura sarà basata su una costante fondamentale della fisica nota come costante di Planck. Si tratta di un numero infinitamente piccolo, che inizia con 33 zeri dopo il punto decimale, che descrive il comportamento dei pacchetti elementari di luce noti come fotoni, presenti dappertutto, dal bagliore di una fiamma di candela al luccichio delle stelle.
«Quella costante fondamentale è intessuta nella struttura dell'universo», afferma Stephan Schlamminger, leader del team dell'Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia che, insieme a molti scienziati internazionali, ha lavorato sulla costante di Planck, necessaria per la nuova definizione del chilogrammo. Cosa ancora più importante, il nuovo valore resterà lo stesso per sempre, indipendentemente dalla posizione in cui ci si trova.
Un grande cambiamento
Il chilogrammo è una delle sette unità di base del Sistema Internazionale di Unità di Misura, che definisce tutte le altre misure (le altre sei unità di base sono il metro, il secondo, la mole, l'ampere, il Kelvin e la candela). Capita facilmente di trascurare l'importanza delle unità, ma queste sette sostengono tutto nel nostro universo. Garantiscono stabilità nella produzione, nel commercio, nell'innovazione scientifica ed altro ancora. Il sistema metrico, che in seguito diventò il Sistema Internazionale di Unità di Misura, fu concepito alla fine del 1700 come un modo per rendere valide le misure «per tutti i tempi e per tutte le persone», afferma Schlamminger. La speranza era quella di semplificare la vita di tutti i giorni in un mondo in cui cambiare città significava dover apprendere un diverso sistema di misure. Molte delle prime unità metriche erano basate su esempi ricavati da fenomeni naturali, spiega Richard Davis, fisico ricercatore emerito presso il Bureau International des Poids et Mesures, l'organizzazione che disciplina tutto ciò che è collegato alla misurazione. Ma alla fine, queste si dimostrarono poco pratiche da usare. Ad esempio, il metro era stato definito come 1-10.000.000 della distanza dal Polo Nord all'equatore, passando per Parigi. Il chilogrammo era la massa di un litro di acqua distillata al suo punto di congelamento.
«Ma non vi era la tecnologia o la scienza necessarie perché funzionassero», afferma Davis. Così, nel giugno del 1799, furono forgiati due standard di platino - una sbarra di un metro e un cilindro di un chilogrammo - segnando la creazione del sistema metrico decimale. Per aumentare la loro stabilità, i prototipi furono forgiati di nuovo nel 1889 in una lega di platino-iridio e rinchiusi sotto lucchetto. Comunque, anche la dipendenza dagli oggetti ha posto dei problemi. «Un oggetto materiale non durerà per sempre», afferma Schlamminger. Le tazze di caffè si rompono; i vestiti si strappano; i tubi arrugginiscono. Inoltre, chiusi in un caveau, questi oggetti non sono certamente «a disposizione di tutte le persone». In questo secolo, gli oggetti fisici sono stati sostituiti quindi uno alla volta con costanti fondamentali. Il chilogrammo era quello che ancora resisteva.
Anni di perdita di peso
Nonostante la sua inaccessibilità, Big K ha svolto il suo compito. Gli scienziati hanno creato una serie di copie da utilizzare per i ricercatori di tutto il mondo. Solo tre volte, nei suoi quasi 130 anni di vita, i ricercatori hanno tolto Big K dal suo caveau per confrontare il prezioso cilindro con i suoi gemelli. Ma in ciascuno di questi confronti, gli scienziati si sono preoccupati sempre più: Big K sembrava perdere peso. Rispetto alle sue copie, il minuscolo cilindro sembrava essere progressivamente più leggero. Oppure le sue copie stavano diventando progressivamente più pesanti. È impossibile dire quale fosse l'ipotesi corretta, dal momento che Big K, per definizione, è esattamente un chilogrammo. Anche se qualcuno ne avesse in qualche modo tolto un pezzetto, arrotondando un angolo, Big K peserebbe ancora un chilogrammo, e i chilogrammi di tutto il mondo dovrebbero adattarsi ad esso. In totale, la massa di Big K differisce dalle sue copie di circa 50 microgrammi, quasi la massa di un granello di sale. Anche se potrebbe non sembrare molto grande, è un problema enorme per alcuni campi esigenti come la medicina. Questa perdita inoltre non riguarda solo la massa, ma influisce su tutte le altre unità, che sono definite in relazione alla massa, come ad esempio il Newton, l'unità di misura della forza.
Come sta succedendo?
Per risolvere il problema di questa perdita di peso, la Conferenza Generale su Pesi e Misure nel 2011 ha approvato all'unanimità una risoluzione per ridefinire il chilogrammo e le tre unità aggiuntive di ampere, kelvin e mole, basate su grandezze «invarianti della natura». Da allora, gli scienziati di tutto il mondo hanno lavorato per trovare una soluzione. Per il chilogrammo sono emerse due diverse possibilità, entrambe legate alla costante di Planck. La prima è basata sulla bilancia di Kibble (o bilancia di Watt). Si tratta di qualcosa di simile al classico giogo di una bilancia, che è, sostanzialmente, una sbarra con un piatto appeso su entrambi i lati. Per misurare il peso di qualcosa, si posiziona una massa nota da un lato e l'oggetto di interesse dall'altro. Grazie alla forza gravitazionale, si può dire quanto pesa quell'oggetto, grazie alla conoscenza della massa nota. Nella bilancia di Kibble, tuttavia, uno dei due piatti viene sostituito con una bobina immersa in un campo magnetico. E invece di usare la forza gravitazionale, per equilibrare la massa si usa la forza elettromagnetica. Confrontando una massa con alcune caratteristiche della forza elettromagnetica, gli scienziati possono effettuare misurazioni precise della costante di Planck. L'altra soluzione si basa sulla creazione di un altro oggetto: una sfera perfetta di cristallo di silicio-28. Questa idea è basata su una costante nota come numero di Avogadro, che stabilisce che il numero di atomi presenti in una mole sia circa 602.214.000.000.000.000.000.000. Contando il numero di atomi presenti in una sfera di silicio di 1 chilogrammo esatto, gli scienziati possono calcolare il numero di Avogadro con estrema precisione. Questo poi può essere convertito nella costante di Planck. Il valore finale della costante di Planck è inimmaginabilmente piccolo: 0,000000000000000000000000000000000662607015 chilogrammi per metro quadro al secondo.
L'attesa è finita
«Con i due metodi, gli scienziati possono ora misurare un chilogrammo con un'incertezza di una parte su 100.000.000, una differenza che è circa un quarto del peso di un ciglio» afferma Schlamminger. «Questo è il bello della scienza - non esiste la perfezione», dice. «Ci sono sempre effetti dovuti al caso, e c'è sempre un po' di dispersione. E si deve decidere se ciò che si fa sia abbastanza valido». Il voto unanime di novembre suggerisce che questa decisione sia in effetti degna di merito. Il cambiamento ha effetto dal 20 maggio, Giornata Mondiale della Metrologia. «Da quel giorno, non si vedrà alcun cambiamento nella nostra vita quotidiana», dice Davis. Ma in un modo o nell'altro, ogni singola misura del Pianeta è collegata allo standard internazionale del chilogrammo. Mentre la misurazione della farina in cucina rimarrà la stessa, il nuovo standard determina ad esempio una grande differenza nella produzione di componenti per auto, nello sviluppo di nuovi farmaci e nella costruzione della strumentazione scientifica. Il voto di oggi non è stato solo straordinario per l'incredibile precisione con cui ora si possono effettuare queste misurazioni, ma per la cooperazione internazionale alla base di questo lavoro. Dopo che i rappresentanti hanno approvato all'unanimità la nuova definizione, Sébastien Candel, presidente dell'Accademia delle scienze francese, ha concluso: «Spero che ciò sia possibile anche per molte altre questioni importanti nel mondo».