Alla periferia di Parigi, otto metri sotto terra in un caveau climatizzato, si trova un cilindro in lega di platino vecchio di 143 anni. Alto appena 39 mm, non è mai stato toccato da mani umane. Come una delicata bambola russa, il cilindro è ingabbiato all’interno di tre campane di vetro annidate in una stanza a cui si può accedere solo con tre chiavi tenute da tre persone diverse. Attorno al misterioso oggetto si trovano “i testimoni”: sei cilindri “identici” fusi dalla stessa lega di platino.

Anche se gli sforzi di conservazione rivaleggiano con quelli della Sindone di Torino, il cilindro non è un oggetto sacro religioso. È il chilogrammo prototipo internazionale (IPK), l’unico vero chilogrammo rispetto al quale vengono misurati tutti gli altri. Ospitato nel Pavillon de Breteuil-sede dell’International Bureau of Weights and Measures (BIPM) – l’IPK perderà presto il suo status unico e diventerà una reliquia di un’epoca passata. Sarà quindi caratteristico come l’International Prototype Meter (IPM) – una barra in lega di platino anch’essa ospitata al BIPM-che è stata il metro ufficiale del mondo fino al 1960.

Il 16 novembre 2018 i metrologi e i responsabili politici di 60 paesi di tutto il mondo si riuniranno alla Conferenza generale sui pesi e le misure (CGPM) a Versailles, in Francia. Niente di insolito lì, come la riunione si riunisce una volta ogni quattro anni per discutere i bilanci e le questioni in metrologia. Ma questo incontro sarà speciale. Gli Stati membri voteranno se adottare il cambiamento più radicale del Sistema internazionale di unità (Système International, o SI) dal suo inizio nel 1960. È un cambiamento che includerà nuove definizioni di kelvin, ampere e mole, ma forse più significativamente il chilogrammo.

Ogni Stato membro esprimerà il proprio voto in un processo che sarà trasmesso in diretta online. Se il cambiamento è ratificato (e tutti i segni sono che sarà) l’evento segnerà la fine di basare le unità sugli oggetti – una pratica che risale a millenni fa. Sarà anche finalmente soddisfare un desiderio prima espresso da James Clerk Maxwell, che ha predetto che gli standard di misurazione potrebbero in qualche modo essere definiti da costanti immutabili della natura.

Una solida base

Parlando ad una riunione della British Association for the Advancement of Science in Liverpool nel 1870, Maxwell ha detto ai delegati che “Se vogliamo ottenere standard di lunghezza, tempo e massa che deve essere assolutamente permanente, dobbiamo cercare di loro non nelle dimensioni, o la moto, o la massa del nostro pianeta, ma la lunghezza d’onda, periodo di vibrazione, di assoluto e di massa di questi indistruttibile e inalterabile e perfettamente molecole simili.”

Con gli addetti ai lavori che non vedono alcun accenno a un risultato negativo alla riunione del BIPM di questo mese, è lecito supporre che la risoluzione per riformare il SI passerà incontrastata e il desiderio di Maxwell di standard” assolutamente permanenti ” sarà realizzato. Il nuovo SI entrerà ufficialmente in vigore il 20 maggio 2019, esattamente una dozzina di dozzine (144) anni dopo il primo trattato internazionale sulle unità di misura – la Convenzione del metro – che fu firmato lo stesso giorno nel 1875. Ma perché è così importante che le unità siano basate su costanti della natura?

Le unità sono state un punto fermo della società almeno dal tempo degli antichi Egizi. Hanno usato diverse parti del corpo umano o oggetti nel loro ambiente come scale con cui misurare le cose. Eppure questi standard potrebbero essere selvaggiamente diversi da luogo a luogo. Per i filosofi naturali dell’Europa del xvii e XVIII secolo, la variabilità unitaria – in particolare in lunghezza e massa-rendeva quasi impossibile confrontare i risultati per lo stesso fenomeno fisico se fosse stato misurato in luoghi diversi.

Furono fatti vari tentativi per creare una misura universale e nel 1799 la Francia introdusse il sistema metrico, basato su due unità: il metro e il chilogrammo. Conosciuto come il metro degli archivi e il chilogrammo degli archivi, questi due manufatti in platino sono stati conservati presso gli Archives Nationales di Parigi per definire legalmente e praticamente le unità. Questi standard rimasero in piedi per 90 anni fino a quando non furono sostituiti dall’IPM e dall’IPK, che erano fisicamente più duri e meglio progettati.

Pensiero universale

Le unità SI sono intrecciate nella scienza. Dal joule che definisce l’energia al katal per misurare l’attività catalitica, tutte le 29 unità SI denominate possono essere definite da una combinazione di sole sette unità di base: la seconda, metro, chilogrammo, ampere, kelvin, mole e candela. Ma come la scienza è diventato sempre più preciso nel 20 ° secolo, un nuovo problema sollevato la sua testa. Qualsiasi unità basata su qualcosa-un oggetto, un esperimento o un fenomeno – che non è universale sarà instabile.

Considera il secondo. È storicamente legato alla rivoluzione della Terra, che è definita come prendere 24 ore, dove un’ora è 60 minuti e un minuto è 60 secondi. Ma cosa succede se la Terra inizia a ruotare più lentamente, come sta facendo anche se leggermente? Un giorno sarà più lungo, il che significa che un secondo sarà più lungo anche in termini reali. Significa che un’auto che registra 30 km / h in realtà viaggia un po ‘più lentamente, una lampadina da 30 W sarà un po’ più debole e, ancora più assurdamente, l’universo si espanderà a una velocità diversa.

Se, tuttavia, la nozione e la durata di un secondo vengono mantenute ma la rotazione della Terra viene rimossa dalla definizione e sostituita con qualcosa che non cambia mai ovunque e ogni volta che viene misurata nell’universo, il secondo diventa stabile. Ciò fu fatto nel 1967, quando il secondo fu ridefinito come 9.192.631.770 volte il periodo della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133, Δν (vedi “A brief history of time-keeping” di Helen Margolis).

Più tardi, nel 1983, anche il metro fu ridefinito, come la lunghezza del percorso percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di 1/299.792. 458 secondi. La squisita precisione con cui gli scienziati sono stati in grado di misurare il tempo e la distanza ha avvantaggiato la società, non da ultimo portando a sistemi di posizionamento satellitari, in particolare GPS.

Planck in soccorso

Nonostante abbia servito bene la società per 143 anni, definire il chilogrammo in termini di un singolo oggetto è una nozione intrinsecamente instabile. Questo perché se l’IPK diventa più leggero o più pesante, anche di una piccola quantità, anche la massa dell’universo espressa in chilogrammi cambia – una proposta folle. Piuttosto preoccupante, l’IPK sta cambiando. Quando i metrologi lo misurarono nel 1988-1991, l’IPK aveva una massa di circa 50 µg in meno in media rispetto ai sei testimoni. Per definizione, questo significa che i testimoni avevano guadagnato una piccola quantità di massa in qualche modo, forse assorbendo molecole d’aria. Ma più probabile-dato che anche molte copie nazionali del chilogrammo sembravano guadagnare massa-è che l’IPK avesse perso massa. O forse avevano tutti guadagnato o perso massa, solo a ritmi diversi.

I metrologi non hanno visto ulteriori derive tra l’IPK e i testimoni dal 1991 al 2014, l’ultima volta che sono state effettuate misurazioni. Ma il fatto che non ci fosse alcuna deriva non significava che la massa dell’IPK o dei testimoni non fosse cambiata. Potrebbero semplicemente aver perso o guadagnato massa in tandem. E questo è il problema: non c’è modo di dirlo perché la massa è sempre calibrata rispetto all’IPK.

“Con il SI rivisto, non dovremo preoccuparci di questa roba”, spiega Richard Davis, ex capo della divisione di massa del BIPM che ora è consulente del bureau. Invece di essere definito dalla massa di un cilindro di metallo, nel nuovo SI il chilogrammo si baserà su una costante fondamentale della fisica quantistica: la costante di Planck.

Prende il nome da Max Planck, che ha sviluppato l’idea che l’energia arriva in piccoli pacchetti chiamati quanti, la costante di Planck, h, mette in relazione l’energia di un quanto di radiazione elettromagnetica alla sua frequenza con la famosa formula E = hv. La costante di Planck è a sua volta collegata alla massa tramite E = mc2 di Einstein. Attualmente, h ha un valore misurato di circa 6,62607 × 10-34 m2 kg s-1, ma i metrologi ora vogliono fissare il suo valore in pietra, con il chilogrammo definito in termini di questo valore.

Sarà quindi addio all’IPK, che è un oggetto fisicamente instabile, e addio all’incertezza nel valore della costante di Planck. ” Dopo la ridefinizione, la costante costante di Planck è fissata a un valore, mentre l’incertezza è più appropriatamente deviata alla massa dell’IPK”, afferma Stephan Schlamminger, un metrologo del National Institute of Standards and Technology, Stati Uniti. “E con una costante fissa della tavola, i dispositivi migliori saranno in grado di realizzare un chilogrammo sempre più precisamente.”

Watt vuoi dire

Per iniziare con il piede giusto, è importante che il valore a cui è fissata la costante di Planck sia misurato nel modo più preciso attualmente possibile. Questa responsabilità si basa sulle misurazioni di due tipi molto diversi di esperimenti. Il primo di questi è chiamato equilibrio di crocchette, precedentemente chiamato equilibrio di watt ma ora rinominato in onore del suo inventore Bryan Kibble del National Physical Laboratory del Regno Unito, morto nel 2016. Attualmente, solo Francia, Canada e Stati Uniti hanno bilance crocchette in grado di effettuare le misurazioni necessarie per fissare la costante di Planck. Tuttavia, molti altri stanno lavorando alla costruzione di equilibri propri. Come un set di bilance hi-tech, la bilancia Kibble utilizza le forze elettromagnetiche fornite da una bobina di filo immersa in un campo magnetico per bilanciare una massa di chilogrammo. L’apparecchiatura consente ai metrologi di prendere valori precisi di corrente e tensione, da cui è possibile ricavare la costante di Planck (vedi riquadro sotto).

L’equilibrio crocchette

Che c’e’? La bilancia Kibble (o watt) è costituita da una bobina circolare orizzontale di filo di lunghezza, L, appesa a un braccio di una bilancia. La bobina è posta in un forte campo magnetico, B, e una corrente elettrica, I, viene fatta passare attraverso di essa generando una forza, F = BIL, che può essere regolata per eguagliare il peso di una massa posta sullo stesso braccio della bilancia (mg). La massa è quindi data da m = BIL / g.

Qual è il problema? Anche se posso essere misurato con precisione, è difficile fare lo stesso per B e L.

Quindi qual è la soluzione? I metrologi rimuovono la massa e spostano la bobina alla velocità u nel campo magnetico per generare una tensione V = BLu. Il dispositivo è definito un equilibrio di watt perché, riorganizzando le due equazioni, la potenza elettrica (VI) è bilanciata dalla potenza meccanica (mgu). In altre parole, m = VI / gu. Poiché u è facile da misurare e g (l’accelerazione dovuta alla gravità) è ben nota, i problemi con la misurazione di B e L sono scomparsi.

Ma qual è il collegamento con la costante di Planck, h? Questa è la parte intelligente. La corrente viene determinata facendola passare attraverso un resistore e usando l’effetto Josephson per misurare la caduta di tensione risultante. Questo effetto descrive il fatto che se due superconduttori sono separati da un sottile isolante, coppie di elettroni in ogni strato si accoppiano in modo che la radiazione a microonde di frequenza, f, crei una tensione attraverso lo strato di V = hf/2e, dove e è la carica sull’elettrone. La resistenza del resistore può essere misurata perché il flusso di elettroni nei sistemi 2D a temperature ultralow è quantizzato, con la conduttività che aumenta in multipli di e2/h.

Quindi perché è buono per la metrologia? Fino ad ora, un equilibrio crocchette misurata h in unità SI. Ma quando la definizione del chilogrammo viene modificata, il valore numerico di h verrà fissato in pietra, consentendo a chiunque di utilizzare la bilancia per misurare la massa con una precisione squisita.

Il secondo modo di misurare h è chiamato X-ray crystal density (XRCD) o l’esperimento Avogadro. Si tratta di un cristallo uniforme di atomi di silicio-28 che è stato lavorato in quasi una sfera perfettamente rotonda da 1 kg. Utilizzando l’interferometria ottica, i metrologi calcolano innanzitutto il diametro complessivo – e quindi il volume-della sfera. Quindi, combinando l’interferometria ottica con l’analisi a raggi X, possono calcolare la spaziatura tra gli atomi, il volume che ciascuno occupa e quindi il numero totale di atomi nella sfera. Infine, pesando la sfera, possono determinare la costante di Avogadro. Questo approccio definisce quanti atomi o molecole ci sono in una mole di una sostanza – una quantità molto diversa dalla massa, che ora definirà la talpa stessa. Un’equazione della fisica atomica che collega le costanti di Avogadro e Planck consente quindi di catturare un valore preciso di quest’ultima.

I laboratori di tutto il mondo hanno utilizzato queste due diverse tecniche per misurare la costante di Planck con straordinaria precisione per dare un valore finale concordato di 6.626,070, 150 × 10-34 kg m2 s–1, con un’incertezza relativa di sole 10 parti per miliardo (2018 Metrologia 55 L13). Per quanto riguarda la costante di Avogadro, sarà fissata a 6.022, 140, 76 × 1023 mol–1. E una volta fissate le costanti di Planck e Avogadro, i complessi esperimenti da cui sono stati derivati possono essere utilizzati come standard per misurare un chilogrammo e una talpa.

Impatto pratico

Il modo più semplice per chiarire come funzionerà è considerare il bilanciamento delle crocchette. Fino ad ora, è stato utilizzato per misurare valori accurati di corrente e tensione che vengono poi inseriti in equazioni per produrre la costante di Planck. In futuro, la costante di Planck sarà un valore fisso e quelle stesse misurazioni produrranno invece la massa sulla bilancia. In altre parole, chiunque abbia accesso a un equilibrio crocchette può realizzare un chilogrammo perfetto. Lo stesso principio si applicherà anche all’ampere e al kelvin, che in futuro saranno dati in termini di carica su un elettrone, e, e la costante di Boltzmann, k, rispettivamente. Le apparecchiature progettate per misurare con precisione queste costanti fondamentali saranno ora girate sulle loro teste per realizzare con precisione le unità ampere e kelvin (vedi riquadro sotto). Per quanto riguarda il metro, secondo e candela, le loro definizioni saranno modificate ma rimarranno effettivamente invariate.

Al di fuori della metrologia, il nuovo SI avrà poche conseguenze pratiche immediate e passerà inosservato alla maggior parte delle persone. Dopo tutto, le unità possono essere definite in modo diverso, ma l’obiettivo è sempre quello di mantenere le loro dimensioni uguali. Eppure definire il chilogrammo, kelvin, ampere e mole in modi completamente nuovi basati sulle costanti della natura li rende invarianti, accessibili e pratici. Pertanto, gli scienziati saranno in grado di misurarli in qualsiasi luogo o momento e su qualsiasi scala.

“Per la prima volta, saremo in grado di misurare quantità minuscole ed enormi con la stessa altissima precisione perché le costanti fondamentali non si preoccupano di una scala”, aggiunge Schlamminger. Questo è importante. Prima che il metro fosse ridefinito, la lunghezza poteva essere misurata solo molto precisamente intorno al metro. Ma dalla sua ridefinizione, applicazioni ad alta precisione come la microelettronica hanno beneficiato enormemente dalla precisione con cui possono misurare la distanza a piccole scale.

Allo stesso modo, il nuovo chilogrammo consentirà di misurare un chilogrammo, un grammo e un milligrammo con identica precisione, fino al punto che le masse atomiche saranno misurate in chilogrammi. Finché c’è una connessione sperimentale alla costante di Planck, la massa sarà in grado di essere misurata. Pertanto, i metrologi stanno correndo per costruire bilance crocchette da tavolo e nuovi dispositivi che misurano la massa esattamente a scale grandi e piccole. Quindi la nuova unità di massa e le unità SI in genere sono finalmente adatte per il 21 ° secolo e rimarranno così a lungo nel futuro. Come Schlamminger conclude giustamente: “Il nuovo SI è una costruzione di bellezza e logica.”

• Per ulteriori informazioni sulle nuove definizioni SI, controllare il free-to-read Physics World Discovery ebook Ridefinire il chilogrammo e altre unità SI da Stephan Schlamminger a www.physicsworlddiscovery.org