La nuova definizione scientifica del chilogrammo

Da oggi, 20 maggio 2019, è in vigore la nuova definizione di chilogrammo: l'unità di massa è adesso estremamente precisa, ma anche piuttosto complessa.

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Ricordate il famoso indovinello, pesa di più un chilo di ferro o un chilo di paglia? Probabilmente tutti pensano di saper rispondere, eppure (in realtà) finora non era per nulla scontato che i due chilogrammi pesassero sempre allo stesso modo ad ogni pesa. Ma l'era dell'imperfezione (almeno per la misura della massa) è finita.

 

Oggi, 20 maggio 2019, si inaugura ufficialmente la nuova definizione di chilogrammo, basata non su un campione fisico, com'è stato per 130 anni, ma su una costante fisica, che essendo appunto una "costante" non cambia nel tempo. La nuova era inizia nella Giornata Mondiale della Metrologia (World Metrology Day, WMD), ricorrenza che celebra l'anniversario della Convenzione del Metro, il trattato internazionale che pose le basi del Sistema internazionale delle unità di misura, firmato il 20 maggio 187. Qui sotto, un po' di storia e un approfondimento sulla nuova definizione di chilogrammo.

 

Fino ad oggi il chilogrammo ha fatto riferimento a un oggetto fisico: un cilindro di platino e iridio conservato presso il BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) di Sèvres (Francia). Ma il campione di peso, pur conservato con la massima cura, subisce delle variazioni, diciamo microvariazioni, dovute alla polvere, al caldo e al freddo e ad altri elementi, che fanno (micro)variare nel tempo le sue caratteristiche, tant’è che dal 1889 a oggi la sua massa pare essere variata di circa 50 microgrammi.

 

Questo lo si è potuto stabilire con estrema accuratezza confrontando il campione con una grandezza di volume utilizzata in passato (1 decimetro cubo di acqua distillata a 3,98 °C), poi svincolata dal chilogrammo, e con altri 18 oggetti analoghi (spesso sferici anziché cilindrici e di solo silicio) che, conservati in vari luoghi del pianeta, fanno da copia di sicurezza per il campione di Sèvres, create per non rischiare di restare senza riferimenti nel caso l'originale sparisca o si danneggi.

 

Una sfera di silicio usata in una tipologia di test per la ridefinizione del chilogrammo. È concettualmente analoga al cilindro di platino-iridio conservato a Sèvres, che fa da campione di riferimento per il chilogrammo. | Julian Stratenschulte / dpa / Corbis

Basta con gli "oggetti da 1 kg"! Poiché l’unità di misura deve essere stabile, altrimenti si potrebbero avere complicazioni in molti settori della fisica e della chimica, da tempo si è pensato di introdurre un sistema di riferimento che possa fare a meno di un oggetto materiale, come ormai si fa per quasi tutte le altre unità di misura.

 

Se prendiamo il metro, per esempio, che un tempo era determinato dalla distanza tra due segmenti paralleli tracciati su una faccia di una barra di platino-iridio, dal 1983 (con la XVII Conferenza dei pesi e delle misure di Parigi) è definito dalla distanza che la luce percorre nel vuoto in un tempo pari a 1/299.792.458 di secondo, quasi 1 trecentomillesimo di secondo. La barra di platino/iridio è adesso solamente un pezzo di Storia, da tenere in un museo.

 

World Metrology Day, 20-05-2019: unità di misura, nuova definizione del chilogrammo, unità di massa
Illustrazione: rappresentazione di un mono cristallo sferico di silicio. Sulla sua superficie si riflette il prototipo del chilo conservato a Sèvres. Vedi anche: si fa presto a dire 1 chilo! |

Si fa dura, per gli studenti. Come definire allora il chilogrammo abbandonando il cilindro di platino-iridio? Dopo lunghi e accesi dibattiti, durati anni, si è arrivati a una soluzione che verrà controfirmata nelle prossime settimane dal Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) e la cui definizione è stata pubblicata su Review of Scientific Instruments.

 

Ma se finora, grazie al buon cilindro di riferimento, era facile definire che cos’è un chilogrammo, adesso sarà complicatissimo, per quasi tutti. Per l'occasione è stata infatti scomodata la sofisticata bilancia di Kibble (così chiamata in riconoscimento dei contributi alla metrologia di Brian Kibble, scomparso nel 2016), definita anche NIST-4, messa a punto da ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, in Maryland.

 

Per dare un'idea della complessità della nuova definizione di chilogrammo (e delle difficoltà per i futuri studenti), ecco la spiega della Società Italiana di Fisica:

 

La bilancia equilibra il peso del campione di massa con la forza generata dalla corrente - misurata in termini di h attraverso l’effetto Josephson (per definire la differenza di potenziale in termini di h/e2) e l’effetto Hall quantistico (per definire l’impedenza in termini di e/h) - in una bobina posta tra i poli di un magnete permanente.
Successivamente, la bobina è mossa con velocità costante e si misura la forza elettromotrice indotta - ancora in termini della costante h - per determinare la costante di proporzionalità tra la forza gravitazionale e la forza elettromagnetica.
La massa del campione è quindi ottenuta dal suo peso attraverso la misura dell’accelerazione locale di gravità

 

World Metrology Day, 20-05-2019: unità di misura, nuova definizione del chilogrammo, unità di massa
Una suggestiva immagine della bilancia di Kibble, detta anche bilancia di Watt NIST-4. | Jennifer Lauren Lee / NIST PML

Proviamo a semplificare... Per rendere il tutto più abbordabile si può dire che, "presa" una bilancia di Kibble, si mette su un piatto (non ci sono piatti su questa bilancia, ma facciamo finta di sì) il campione di riferimento e, per controbilanciarlo, si usa una forza generata da una corrente elettrica che scorre in un filo immerso in un campo magnetico: così il chilogrammo diventa la massa controbilanciata da un certa quantità di corrente, dove entra in gioco la costante di Planck.

 

Attenzione però, come per la maggior parte delle cosiddette costanti, quella di Planck non è ancora stata definita con assoluta precisione, anche se il National Research Council del Canada, l’ha calcolata con un'incertezza di 19 parti per miliardo (!!!) - e sembra che presto arriverà a essere ancor più precisa.

 

Non siamo riusciti a semplificare granché, è chiaro, ma siamo comunque arrivati al momento fatidico: addio al vecchio cilindretto di platino, benvenuto chilogrammo di Planck e una comprensiva pacca sulla spalla alla nuova generazione di studenti.

 

20 maggio 2019 | Luigi Bignami