Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Kg una questione di peso. La Stampa tSt 15/06/2005. Nel Sistema internazionale delle unità di misura (SI), la definizione del kilogrammo, cioè dell’unità di massa, ha finora resistito a tutti gli sforzi per migliorarla. Per fare un paragone, la coeva (1889) definizione del metro è cambiata una prima volta nel 1960 e una seconda nel 1983. Il campione del kilogrammo è tuttora il famoso Prototipo K custodito presso l’Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure (BIPM) a Sèvres, vicino a Parigi. E’ un cilindretto di platino-iridio (90% Pt, 10% Ir) alto 39 millimetri e di ugual diametro. Tutti i 51 Paesi firmatari della Convenzione del Metro hanno almeno una copia del kilogrammo prototipo. Diciamo almeno, perché alcuni paesi, tra cui l’Italia, per ragioni varie ne hanno più d’una. L’istituto metrologico primario italiano, il neonato INRIM di Torino, uscito dalla fusione dell’Istituto elettrotecnico nazionale G. Ferraris e dell’Istituto di Metrologia Colonnetti, possiede le copie n° 62 e n° 76 del Prototipo. Altri due esemplari, il 5 e il 19, sono al Ministero delle attività produttive a Roma. Le copie nazionali del Prototipo sono state confrontate con il "capostipite" due volte, nel 1946/50 e nel 1989/93. Nonostante la vetustà della definizione, i risultati pratici sembrano ottimi: i confronti tra Istituti metrologici mostrano che l’accordo a livello mondiale è dell’ordine del microgrammo, ossia, in termini relativi, di una parte su un miliardo. Questa armonia poggia però su fondamenta di sabbia. Vari indizi fanno ritenere che la massa del kilogrammo prototipo sia variata, forse di 50 microgrammi, nel corso della sua vita. E’ perciò desiderabile una nuova definizione basata su fondamenta più stabili, per esempio su una costante fondamentale. Da una trentina d’anni gruppi di ricerca in varie parti del mondo, tra cui Torino, sono impegnati in questo tentativo, ma l’obiettivo sembrava ancora lontano. Immaginatevi il botto quando, qualche settimana fa, cinque scienziati di alto livello avanzarono la proposta di cambiare la definizione già nel 2007, in occasione della prossima Conferenza generale dei pesi e delle misure. La proposta si basa sulla costante di Planck, h, o, in modo equivalente, sulla costante di Avogadro NA. La prima è una delle costanti fondamentali della fisica quantistica, e su di essa (oltre che sulla carica dell’elettrone e) già si basano le unità di resistenza elettrica e di tensione. La seconda è una sorta di legame tra il mondo chimico e quello fisico, e rappresenta il numero invariante di unità elementari (atomi o molecole) presenti in una mole di qualsiasi sostanza. Da tempo sono in corso due esperimenti per migliorare i valori di queste due costanti. Il primo, e più antico, è oggi condotto a livello mondiale da un consorzio di cui anche l’INRIM è parte, con la collaborazione del Dipartimento di fisica dell’Università di Torino, e punta letteralmente a contare gli atomi esistenti in una sfera di silicio monocristallino di massa e volume noti. Conoscendo, mediante misure accessorie, il volume molare e la massa molare del silicio (dunque accettando l’attuale definizione del kilogrammo) si ricava la costante di Avogadro. Il secondo (solo in ordine cronologico) è realizzato indipendentemente in vari laboratori (National Physical Laboratory, UK, National Institute of standards and Technology, USA, e altri) e misura la costante di Planck mediante una speciale bilancia che sfrutta l’equivalenza tra la potenza meccanica, (in cui interviene l’attuale definizione del kilogrammo) e la potenza elettrica, la cui espressione contiene la costante di Planck. Un gruppo del Committee on Data for Science and Technology (CODATA) provvede ad armonizzare i risultati dei vari esperimenti relativi a queste e altre costanti pubblicando periodicamente una lista di valori raccomandati che vengono adottati dalla comunità scientifica come riferimento. I due esperimenti sono giunti a livelli di accuratezza ragguardevoli: entrambe le costanti sono note con sette-otto cifre significative. Siamo però di fronte a una situazione paradossale: da una parte, la massa del kilogrammo prototipo, manifestamente variata nel tempo, ha per definizione il valore immutabile e certo di 1 kg. Dall’altra, le costanti fondamentali, sulla cui immutabilità, come dice il nome, siamo pronti a scommettere, sono note solo approssimativamente e i loro valori raccomandati sono soggetti a variare, seppur di poco, ogni volta che qualche nuovo dato suggerisce di procedere ad un aggiustamento. La proposta dei cinque è semplice: si ribalti la situazione attuale, attribuendo a una (a scelta) delle due costanti l’ultimo valore per essa raccomandato dal Codata, valore che diventa esatto per convenzione e in via definitiva. In questo modo ciascuno degli esperimenti descritti realizza una nuova definizione del kilogrammo, basata sulla costante fondamentale scelta. Come corollario immediato, il kilogrammo non avrebbe più, come ora, accuratezza infinita, e si potrebbero finalmente monitorare le variazioni nel tempo del Prototipo internazionale, al quale, almeno temporaneamente, continuerebbero ad essere riferiti i campioni materiali, inclusi i multipli e sottomultipli. Dalla proposta trarrebbero beneficio le unità di misura elettriche, realizzabili con incertezza drasticamente migliore, e molte costanti fondamentali. In generale, il modello del mondo sarebbe più razionale e coerente e si farebbe un altro passo verso un sistema di unità interamente basato sulle costanti fondamentali. Tutto bene dunque? No, c’é un rovescio della medaglia. Poiché dietro alla proposta non c’è un reale aumento di conoscenze, ogni kilogrammo vedrebbe la sua incertezza aumentare di 170 microgrammi, una quantità notevole se rapportata all’attuale incertezza di una qualsiasi copia del Prototipo, pari a 2,3 microgrammi. Ma c’è di peggio. Poiché le costanti fondamentali sono legate tra loro da alcune relazioni fisiche, da ciascuno dei due esperimenti descritti è possibile ricavare sia la costante di Planck sia quella di Avogadro. Ora, i valori delle costanti forniti dalla bilancia del watt e dall’esperimento Avogadro differiscono di più di una parte su un milione. E’ opinione corrente che ci sia qualche baco in quest’ultimo, e il buon accordo tra i valori raccomandati dal Codata, in contrasto con la situazione reale, è stato ottenuto privilegiando i risultati della bilancia del watt. Attuare ora la proposta significherebbe scommettere che sia proprio così. E se invece così non fosse, e ad avere torto fosse la bilancia del watt? Allora, il kilogrammo vedrebbe cambiare il suo valore di più di 1 milligrammo, una differenza inaccettabile in un’unità di base. Nell’ultima settimana di aprile si è riunito a Sèvres il Comitato consultivo per la massa e la proposta descritta è stata presentata da uno dei suoi autori e discussa a fondo. La conclusione della vicenda (per ora) è una raccomandazione al Comitato consultivo dei pesi e delle misure, il cui succo è: ben venga una nuova definizione del kilogrammo ma solo quando le discrepanze attuali tra gli esperimenti siano comprese e risolte e l’accuratezza sperimentale abbia guadagnato un ordine di grandezza rispetto ad ora. Dunque, se ne riparlerà nel 2011. Per ora il vecchio Prototipo, ultimo figlio dell’età favolosa della nascita del sistema metrico, può dormire sonni tranquilli. Ma i suoi giorni sono contati. Walter Bich e Roberto Goria

LA STAMPA TST 15/06/2005