Cambiano le definizioni di chilo e metro

Una singolare rivoluzione è alle porte. Sarà difficile notarla nella vita quotidiana, visto che non ci costringerà a regolare la bilancia di casa o l’orologio, ma per gli scienziati di tutto il mondo porterà un cambiamento fondamentale. E positivo. Ecco che cosa sta per accadere: la 26ª Cgpm, Conferenza generale dei pesi e delle misure (che si riunirà a Versailles, vicino a Parigi, da martedì 13 a venerdì 16 novembre) ha all’ordine del giorno la «Revisione del Sistema internazionale delle unità di misura», con cui saranno abrogate le attuali definizioni di sette unità di misura fondamentali— il chilogrammo, l’ampere, il kelvin, la mole, il secondo, il metro e la candela. Che subito saranno sostituite da definizioni del tutto nuove (per il kg, l’ampere, il Kelvin e la mole) oppure riviste a livello formale (per il metro, il secondo e la candela).

Il percorso che ha condotto a questa riunione decisiva è stato lungo e complesso, iniziato quando un’altra Conferenza Cgpm, quella del 2011, ha approvato all’unanimità la necessità di procedere alla revisione. Sono seguiti anni di lavoro, con una rigida procedura: esperimenti diversi e indipendenti sulle nuove unità proposte, calibrature e studi che fornissero risultati consistenti, vari passaggi di validazione. Diversi comitati consultivi all’interno del Cipm (uno degli organismi della Convenzione del Metro come la stessa Conferenza generale dei pesi e delle misure) si sono già espressi positivamente sulla ridefinizione. Anche l’atmosfera è quella delle grandi occasioni: il Lne, Laboratoire National de Métrologie et d’Essais di Parigi, da mesi organizza incontri sul tema (il prossimo è il 29 novembre alle 18.30, rue Gaston Boissier 1), mentre il Musée des Arts et Métiers propone la mostra Sur mesure, les 7 unités du Monde, aperta fino al 5 maggio 2019 (rue Réaumur 60). Una volta approvata la revisione dalla Conferenza di Parigi, le nuove definizioni entreranno in vigore il 20 maggio 2019.

Beninteso, il chilogrammo peserà sempre un chilo, il metro sarà sempre lungo un metro e così via. Quello che cambierà sarà la loro definizione ufficiale e riconosciuta. A spiegare a «la Lettura» che cosa cambia in un ambito così complesso è Luca Callegaro, ingegnere elettronico, ricercatore dell’italiano Inrim, Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, dove è responsabile della divisione Nanoscienze e Materiali, e chairman del Technical Committee for Electricity and Magnetism (Tc-Em) dell’Euramet, l’associazione europea degli istituti metrologici. Si occupa di metrologia delle grandezze elettriche ed è responsabile dei Campioni nazionali italiani di impedenza elettrica.

«È da più di dieci anni — spiega Callegaro — che si lavora a questa ridefinizione, perché il SI (Sistema internazionale di unità di misura) attuale è “misto”. La definizione delle sette unità di base è costruita per alcune unità intorno a costanti fondamentali di natura, o a proprietà di un materiale, o a esperimenti idealizzati; nel caso del chilogrammo, a un singolo oggetto fisico. Il chilogrammo è la massa del “prototipo internazionale”, un cilindro di platino-iridio costruito nel 1875 e conservato al Bureau International des Poids et Mesures di Sèvres, Parigi. Il prototipo internazionale è unico e irripetibile, e per definizione è il chilogrammo; ma è un oggetto, e può essere danneggiato o distrutto da eventi esterni. Soprattutto, non sappiamo se la sua massa sia costante: ci sono indizi per ritenere che sia calata di una cinquantina di microgrammi nei suoi 140 anni di vita. Nel frattempo scienza e tecnologia sono progredite, e appare necessario riprendere le definizioni delle unità di misura e rendere più omogeneo il sistema. Le nuove definizioni assicurano la continuità: la “taglia” del chilogrammo, e di tutte le altre unità, resta quella di prima».

Premessa: il chilogrammo, l’unità di misura della massa, è quel prototipo che sta a Sèvres (foto nella pagina successiva). E il grado Kelvin, usato per misurare la

temperatura, si calcola da uno stato dell’acqua, elemento della natura. Invece, altre unità di misura si calcolano — e si costruiscono, perché servono all’industria e alla scienza — a partire da costanti fisiche precise con valori fissati. Una mescolanza di oggetti, fenomeni naturali, costanti fisse, che appare poco coerente agli scienziati, e poco affidabile. «Il “secondo” — illustra Callegaro — veniva definito in termini di giorno solare medio; poi, con i primi orologi al quarzo, ci si è accorti che le giornate non sono tutte uguali, e che il periodo di rotazione della Terra non è costante. La Terra sta rallentando, e — più o meno ogni anno — il cosiddetto ”secondo intercalare”, viene aggiunto per compensare tale rallentamento. La definizione del secondo basata sul giorno solare non era sufficientemente accurata».

Le nuove definizioni delle unità di misura saranno tutte legate a costanti fisiche (e il chilogrammo di platino-iridio andrà in pensione). Ma ci sono altri motivi per cui il rinnovamento è atteso, spiega Callegaro: «Dal momento in cui entrerà in vigore la nuova definizione, le unità di misura potranno essere realizzate da chiunque: o meglio, i laboratori di metrologia potranno realizzare le unità di misura per così dire ”in casa” (posto che vi siano le capacità per farlo, ovviamente). Le unità si potranno realizzare nei singoli laboratori, senza riferirsi verso l’esterno».

E c’è un altro vantaggio. Usiamo ancora l’esempio del chilogrammo: finora, ogni copia del cilindro di Sèvres è più o meno identica all’originale. «I campioni da 1 kg si confrontano sulle bilance contemporanee con incertezze piccolissime, dell’ordine di parti per miliardo. Ma se si è interessati a masse più piccole, nella scala dei milligrammi o microgrammi, queste masse si ricavano ”scalando” il kg di molte decadi, una decade per volta: dal chilogrammo ai 100 grammi, e poi ai 10 grammi, e così via... A ogni passaggio l’incertezza aumenta». E quell’errore minuscolo comincia a pesare. «Nel nuovo sistema invece io posso realizzare le nuove unità di massa non a livello del chilogrammo, ma già a livello del milligrammo, o del microgrammo: cioè, l’unità può essere realizzata direttamente nell’ordine di grandezza che ci serve. La nuova impostazione aprirà la strada a ulteriori sviluppi tecnologici degli strumenti di misura, anche commerciali. Alcuni strumenti esistono già (ad esempio l’orologio atomico), altri potranno essere sviluppati in futuro».

«Nel nuovo sistema — continua Callegaro — sarà possibile realizzare l’unità di massa contando quanti atomi sono contenuti in una sfera di silicio. Non si contano a uno a uno: ma conoscendo il diametro della sfera e il passo reticolare del silicio, si può calcolare quanti atomi ci sono nella sfera. Occorrono atomi di silicio tutti uguali, e quindi le sfere sono fatte di solo silicio 28. Il nostro istituto, l’INRiM, è leader mondiale per quanto riguarda la misurazione del parametro reticolare del silicio. Altri istituti sono leader nella misurazione del diametro della sfera... Il nuovo sistema rafforza moltissimo la collaborazione tra istituti».

E tra Paesi. Ecco: in questa riforma c’è lo spirito universalistico di una rivoluzione, la Rivoluzione francese, per la precisione. Due anni dopo la presa della Bastiglia, l’Assemblea nazionale stabilì, nel 1791, l’assunzione di un’unica misura di lunghezza per tutti, il metro, in un tempo in cui le misure versavano nel caos. «All’epoca la definizione delle unità — conclude Callegaro — era legata al potere: per esempio, la iarda inglese corrispondeva, almeno per la tradizione, alla lunghezza del braccio di re Enrico I. La Rivoluzione ha spezzato idealmente il legame col potere, definendo unità di misura di tutti e per tutti: si decise che la lunghezza del metro fosse un decimilionesimo del meridiano terrestre dal Polo all’Equatore. In linea di principio chiunque può misurare la Terra, l’unità è universale. In un certo senso il chilogrammo di oggi è un po’ come il braccio di Enrico I, un oggetto unico e irripetibile, quasi inaccessibile (viene utilizzato ogni trentina d’anni circa); se si altera o si distrugge l’unità di misura si perde. Ecco, questa nuova ridefinizione è il tentativo di sganciarsi da tutto ciò».

Ida Bozzi