In una città ferita dal terremoto, incontro con gli studenti delle scuole medie superiori.
Anteprima speciale quest'anno per Festa di Scienza e Filosofia
Tema: “Misurare l’Universo con l’Universo. 2019: come al tempo di Napoleone, una rivoluzione nel sistema delle misure”.
Nel corso dell'incontro verrà affrontata la questione del cambiamento delle unità di misura del Sistema Internazionale che dal 20 maggio prossimo saranno ancorate a costanti universali della Natura.
L'evento è organizzato in collaborazione con l’Istituto Omnicomprensivo “De Gasperi - Battaglia”, diretto da Rosella Tonti.
L'appuntamento è alle 10.30 al Salicone Best Western di Norcia Granaro del Monte.
Dal 20 maggio 2019 in tutto il mondo entreranno in vigore nuove definizioni di quattro unità di misura fondamentali: il kilogrammo, l’ampere, il kelvin e la mole. Cioè le unità di massa/peso, corrente elettrica, temperatura e quantità di materia. La decisione finale è stata sottoscritta al 26° meeting della Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (Versailles, 13-16 novembre 2018), con la partecipazione dei 60 Paesi che vi aderiscono (circa 100 contando i Paesi associati).
A livello formale, la revisione riguarda anche il metro, il secondo e la candela. Tutte le sette unità di misura del Sistema Internazionale sono dunque coinvolte da questa rivoluzione, che sarà poco percepibile nella nostra vita quotidiana immediata ma di grande portata per il mondo della scienza e della tecnologia, e quindi per il futuro di tutti noi.
E’ una svolta epocale, paragonabile a quella che alla fine del Settecento vide nascere dalla rivoluzione francese la prima unificazione delle misure a partire da quella di lunghezza, il metro. Ed è un tema che riguarda anche, e forse soprattutto, i rapporti politici internazionali, la pacifica convivenza tra i popoli e la stessa democrazia. Tutto ciò a partire da una idea che possiamo definire filosofica: l’universalità delle leggi di natura.
Una decisione storica
Il Bureau International des Poids et Mesures coglie questa occasione davvero storica per rilanciare l’attenzione nei confronti della metrologia, e in particolare del Sistema Internazionale (SI) e delle sue sette unità di misura fondamentali: principalmente le quattro già ricordate, ma anche il metro (lunghezza, agganciato alla velocità della luce nel vuoto), il secondo (tempo, connesso all’atomo di cesio) e la candela (luminosità), che sono già state riferite a costanti della fisica in precedenti revisioni.
Al grande pubblico, agli insegnanti di tutte le scuole dalle primarie alle superiori e ai decisori politici il Bureau invia tre messaggi-chiave: 1) il SI si ispira a una visione globale del mondo; 2) la sua universalità affonda le radici nelle leggi di natura; 3) l’aggiornamento del SI che avverrà ufficialmente il 20 maggio 2019 è il trampolino di lancio delle future innovazioni. In Italia la rivoluzione delle misure sarà annunciata in una conferenza stampa a Roma, Hotel Nazionale, ore 11,30, martedì 20 novembre con l’intervento di Diederik Wiersma, presidente dell’Istituto nazionale di ricerca metrologica (INRiM), Maria Luisa Rastello (Comitato internazionale dei pesi e delle misure), Giuseppe Rossi (presidente Accredia), presenti anche il viceministro dell’Istruzione e ricerca Lorenzo Fioramonti e Mario Fiorentino del ministero dello sviluppo economico.
La ridefinizione del chilogrammo è quella che più colpisce l’opinione pubblica, anche se dovrebbe essere chiaro che nulla cambia per gli utenti: il kg di domani sarà identico a quello di oggi e di ieri, peserà sempre un chilogrammo, il metro sarà sempre lungo un metro, e altrettanto vale per le altre unità ridefinite. La novità sta nel modo di determinare il kg, che diventa più universale, e con un campione riproducibile in ogni laboratorio opportunamente attrezzato e immutabile nel tempo. Dalla bottega dove compriamo un etto di prosciutto al Cern di Ginevra dove si studiano le particelle elementari fino ai telescopi che permettono di “pesare” le stelle, i buchi neri e l’intero universo, la precisone delle misure è la base di ogni rapporto economico, ogni ricerca scientifica, ogni applicazione tecnologica. Dal 20 maggio 2019 il chilogrammo, ora definito attraverso un campione fisico, un cilindro al 90% di platino e al 10% di iridio, sarà definito in relazione alla costante di Planck, il kelvin si riferirà alla costante di Boltzmann, l’ampere alla carica elettrica elementare e la mole alla costante di Avogadro, l’unica, tra le costanti fisiche fondamentali, a portare un nome italiano. La nozione di “numero di Avogadro” risale al 1811 ma i primi a determinarlo con buona precisione furono, all’inizio del Novecento) Albert Einstein (1905) e poi Jean Perrin (1908).
Le “costanti” della natura
Lo stesso Max Planck, con riferimento alla costante che porta il suo nome, immaginò un sistema di unità di misura (lunghezza, tempo, massa, carica elettrica e temperatura) che presentò all’Accademia di Prussia nel 1899 con questa motivazione. “Tali costanti mantengono il loro significato per tutti i tempi e tutte le culture, anche extraterrestri e non umane, e possono essere chiamate unità naturali". Troviamo già lo stesso principio ispiratore in Newton Maxwell e molti altri scienziati. Contributi italiani particolarmente significativi sono venuti da Lagrange (1736-1813), Amedeo Avogadro (1776-1856), Galileo Ferraris (1847-1897), Giovanni Giorgi (1871-1950) e Gustavo Colonnetti (1886-1968).
Per i metrologi un campione di misura è soddisfacente quando assicura una grande precisione, è stabile nel tempo, ha la sua base nella natura ed è ben riproducibile, e quindi facilmente disseminabile nel mondo. Le definizioni ora adottate garantiranno, in prospettiva, miglioramenti anche nella vita quotidiana. La precisione delle misure è essenziale, per esempio, nel campo medico, nei sistemi di navigazione satellitare, nel funzionamento di Internet. Quanto alla scienza, è evidente che le misure riguardano enormi differenze tra l’estremamente piccolo (10 alla meno 18 metri è la scala dei quark) e l’estremamente grande (10 alla 26 metri è l’estensione dell’universo), l’estremamente freddo (frazioni di milionesimi di kelvin) e l’estremamente caldo (migliaia di milioni di kelvin nelle esplosioni stellari), l’estremamente leggero (l’elettrone, e più ancora il neutrino) e l’estremamente pesante (buchi neri, galassie, ammassi di galassie). E non si fa scienza senza misure certe. Con la decisione presa oggi, potremmo dire, il Sistema Internazionale diventa “universale”: le sette unità di base saranno le stesse sia che le si determini sulla Terra, su Marte o in remote galassie.
Le oscillazioni del kg di platino-iridio
L’unità di massa (che per noi terrestri è anche l’unità di peso) era l’ultima a fare ancora riferimento a un campione fisico, il prototipo del chilogrammo (detto “Le Grand Kilo) in lega di platino e iridio realizzato nel 1875 (o 1889?) e conservato a Sèvres, vicino a Parigi, nel famoso istituto che è il “sancta sanctorum” della metrologia mondiale: il BIPM. La sua riproduzione richiedeva l’accesso al campione primario, e in pratica non era riproducibile senza incorrere in un errore di circa 2 microgrammi (milionesimi di grammo) mentre i metrologi tendono, nelle altre misure fondamentali, a un errore virtualmente uguale a zero.
Ma non è questo il solo problema. Più imbarazzante per i metrologi era il “comportamento” dell’unità campione. “Fin dalla sua realizzazione, “Le Grand Kilo” veniva periodicamente ripulito e controllato ma, nelle revisioni che si sono succedute, tendeva a perdere peso. Negli ultimi 100 anni si è alleggerito di 50 microgrammi, una quantità 25 volte più grande del suo errore di riproducibilità. I motivi di questo fenomeno non sono chiari: è possibile che il metallo sublimi (cioè evapori negli strati molecolari superficiali) o che ne sfuggano minuscole bollicine di gas rimaste intrappolate quando avvenne la fusione.
Le sofisticatissime bilance attualmente disponibili non lasciano dubbi: il cilindro di platino-iridio può subire variazioni di un milionesimo di grammo al mese subito dopo le periodiche operazioni di pulitura e lavaggio, severamente regolamentate da procedure rigorose. Terminata questa fase di “dimagrimento”, di solito il kg campione incomincia a “ingrassare” al ritmo di circa un milionesimo di grammo l’anno. Le cause di queste oscillazioni non sono del tutto chiare. Il calo di peso che segue la pulitura dipende probabilmente dalla perdita di minutissimi residui del lavaggio e dall’asporto di molecole superficiali dovuto alla spolveratura. L’aumento di peso può essere giustificato con il depositarsi di granelli di polvere, onnipresenti anche nell’ambiente più pulito.
La grande eredità di Amedeo Avogadro
La “mole”, unità di misura di sostanza, corrisponde a una massa il cui valore espresso in grammi è uguale alla massa molecolare della sostanza in questione. Per esempio, l’acqua, la cui molecola contiene due atomi di idrogeno (peso atomico 1+1) e un atomo di ossigeno (peso atomico 16) avrà una massa molecolare complessiva 18; quindi 18 grammi di acqua, che stanno in un fondo di bicchiere, conterranno un numero di molecole pari al Numero di Avogadro. Cioè 100 volte più molecole di acqua di tutte le stelle dell’universo…
Il “Numero di Avogadro” vale all’incirca 600 mila miliardi di miliardi di particelle. In metrologia l’unità di misura è riferita a una mole di carbonio, cioè a 12 grammi di questo elemento il cui peso atomico è appunto 12.
L’INRiM, l’Istituto di ricerca metrologica con sede a Torino che rappresenta il nostro paese nel Bureau International des Poids et des Mesures, ha svolto uno straordinario lavoro scientifico contando (quasi) uno per uno gli atomi di silicio contenuti in una sfera di silicio cristallino purissimo. L’obiettivo, all’epoca, era giungere a una definizione del kg basata sul Numero di Avogadro. Alla prova dei fatti la realizzazione di un tale campione si è rivelata una impresa troppo ardua. Per quanto minime, nel cristallo rimangono sempre impurità di altri elementi chimici, e anche contare le molecole una per una nel reticolo cristallino tramite raggi X è difficilissimo se si vuole raggiungere la precisione richiesta. Inoltre la sfera deve essere così perfetta che se venisse ingrandita fino alle dimensioni della Terra le “colline” avrebbero un’altezza massima di 2 metri e mezzo sul livello del mare.
Contare gli atomi uno per uno
Questo lavoro, in ogni caso, non è stato vano: è stato un passo importante nella determinazione del Numero di Avogadro, che a sua volta ha un ruolo fondamentale nella definizione della costante di Planck, la costante di Planck è il valore che regge la nuova defizione del kg in quanto permettere di mettere in relazione le bilance classiche con una bilancia a funzionamento elettromagnetico.
La misura più recente adottata dal Bureau International des Poids et des Mesures per il Numero di Avogadro, e quindi per la mole, è frutto di una collaborazione internazionale ed è incredibilmente accurata: 6,022 140 076 x 10 alla 23. L’incertezza è inferiore a una parte su 100 milioni. Il valore adottato è quello dell’ultima cifra significativa possibile: a questo punto il valore viene “fissato” e diventa senza incertezza.
Come già accennato, per soddisfare le esigenze della metrologia moderna un campione di misura deve essere sicuro, costante nel tempo, facilmente riproducibile in situazioni diverse, e questi sono aspetti scientifici e tecnici. Inoltre il campione deve ottenere un riconoscimento internazionale ed essere disseminato capillarmente nei vari Stati, laboratori, industrie, e questo è un aspetto politico e industriale.
Nel 1788 in Francia erano in uso, con pari validità, duemila unità di misura. Esistevano più di 200 libbre tutte lievemente diverse l’una dall’altra, e anche i sottomultipli erano una giungla: la libbra valeva 2 marchi, che valevano 16 once, che valevano 28 gros, che valevano 384denari, che valevano 9216 chicchi... Nella sola regione di Angoulème si contavano più moggi che paesi. Nulla era più variabile della lega: quella di Touraine era lunga 3,933 km; in Piccardia valeva 4,444 km; la lega bretone misurava 4,581 km, quella provenzale 5,849, la parigina 4,180. Facile immaginare le difficoltà che si incontravano nella conversione di queste unità di misura da una regione all’altra. Eppure proprio qui stava il privilegio che si voleva difendere: le unità di misura venivano usate come armi nelle guerre commerciali, intralciando dazi e dogane favorivano economie chiuse ancora di tipo feudale. Cosa che si vedeva chiaramente nella loro origine: piedi, pollici, braccia e così via si rifacevano alle aristocratiche membra di re, principi, conti, marchesi, ognuno deciso a imporre le proprie unità di misura sul territorio governato. L’unico a battersi per l’uniformità delle misure era stato Carlo Magno mille anni prima.
Fu la rivoluzione francese, sulla base dei Cahiers de doléances, a porre la questione di misure uniformi e non più asservite a dita e braccia più o meno nobili ma ispirate a democratiche proprietà della natura.
Il metro derivato dalle dimensioni della Terra
Stabilito, su pressioni dell’italiano (torinese) Lagrange, che il nuovo sistema sarebbe stato decimale (basta con dodicesimi, sedicesimi, sessantesimi...), la prima unità affrontata fu quella di lunghezza. L’idea di definirla come quella del pendolo che batte il secondo fu scartata perché si vide che il suo valore cambia da luogo a luogo per via della gravità, anche sullo stesso parallelo di riferimento (si proponeva il 45° parallelo perché da tempo era noto che la Terra è schiacciata ai poli). Si optò per la decimilionesima parte dell’arco di meridiano tra il Polo Nord e l’equatore passante per Parigi. C’era ancora di mezzo la Francia, e quindi un certo nazionalismo, ma la Terra poteva essere accettata da tutti come riferimento di base. Gli astronomi Méchain e Delambre nel 1792 ebbero l’incarico di misurare l’arco di meridiano, cosa che fecero tra guerre, disavventure e peripezie. Il campione del metro fu pronto nel 1799, insieme con quello del kg, ma solo nel 1837 l’uso divenne obbligatorio in Francia. Del 1875 è la firma della Convenzione del Metro a Parigi da parte di 17 Stati, tra cui l’Italia.
Nel 1889 con la Prima Conferenza dei Pesi e delle Misure partì una sempre più ampia adozione in campo internazionale. Processo ancora incompleto. Qualche anno fa in Canada un aereo rischiò di precipitare perché il pilota credeva che l’indicatore del carburante fosse in galloni mentre era in litri, e la Nasa nel 1998 perse la sonda “Mars Climate Orbiter” quando ormai era arrivata in vicinanza del pianeta rosso perché la navicella e i computer al suolo usavano sistemi di misura diversi.
Una decisione per il futuro di tutti
In un mondo globalizzato e con tecnologie complesse, aumenterà la domanda di precisione. Basti pensare alle nanotecnologie, una ingegneria su scala molecolare, e alla navigazione satellitare, che richiede orologi atomici precisi al miliardesimo di secondo (questo limite è già largamente superato: oggi i migliori orologi atomici spaccano il milionesimo di miliardesimo di secondo). Ma anche l’industria chimica, l’ingegneria, la tutela dell’ambiente, la climatologia, la medicina, la nutrizione e in generale il miglioramento della qualità della vita richiederanno misure sempre più affidabili. La decisione presa oggi guarda al futuro. Di tutta l'umanità.