Il chilogrammo verso la pensione dopo 129 anni. Pronta una nuova definizione

Il chilogrammo verso la pensione dopo 129 anni. Pronta una nuova definizione
la speciale bilancia statunitense che ha misurato la costante di Planck con una precisione di 34 parti per miliardo. L'anno prossimo potrebbe fare ancora meglio
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Ma niente paura, si chiamerà sempre così ma nel 2018 potrebbe cambiare la sua definizione. Il prototipo internazionale che è stato in vigore finora potrebbe essere sostituito dalla misura della costante di Planck.

Gli scienziati hanno compiuto un passo fondamentale verso una nuova e migliore definizione del chilogrammo, grazie alla misura di una grandezza fisica fondamentale, la costante di Planck. Per capire l’importanza di questa rivoluzione e delle sue conseguenze è necessario fare un passo indietro e spiegare almeno per sommi capi che cosa sono le definizioni delle unità di misura e come vengono calcolate. La Conférence générale des poids et mesures (CGPM) è l’ente intergovernativo che si occupa di definire rigorosamente le unità del Sistema Internazionale di Unità di Misura (SI). Tutte le unità delle grandezze fondamentali del SI sono definite in termini di ripetibili e misurabili fenomeni fisici, tranne una.

Mentre il metro è definito come lo spazio percorso dalla luce del vuoto, il secondo è messo in relazione alla durata della radiazione di un ben preciso atomo, e così via, il chilogrammo, l’unità fondamentale di misura della massa nel SI, è definito come “la massa del prototipo internazionale del chilogrammo”, conservato nell’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure (BIPM) a Sèvres, in Francia.

Il problema del definire una grandezza fisica in relazione a un manufatto – invece che rispetto a un fenomeno fisico – è che esso è soggetto all’usura del tempo e alle contaminazioni. Infatti, nonostante le importanti precauzioni prese, il prototipo internazionale di chilogrammo non ha una massa stabile. Gli scienziati hanno paura a usare questo campione per timore di contaminarlo ulteriormente, quindi utilizzano uno dei prototipi nazionali presenti nei laboratori di metrologia di diversi Paesi.

A complicare ulteriormente le cose si aggiunge il fatto che delle sette unità fondamentali di misura del SI, solo il kelvin (unità di misura della temperatura), il secondo e il chilogrammo hanno definizioni indipendenti, tutte le altre unità di misura fondamentali sono legate alle definizione delle unità indipendenti. Questo comporta che – nonostante le variazioni riscontrante nel prototipo internazionale siano tipicamente dell’ordine di un miliardesimo della sua massa – una piccola variazione del campione di chilogrammo si propaga a cascata nelle definizioni di altre unità di misura.

Per questi motivi la CGPM ha proposto diverse nuove possibili definizioni del chilogrammo basate su costanti fisiche, invece di un manufatto. Tuttavia, per poter adottare una nuova definizione, la CGPM richiede anche che siano disponibili per quella costante almeno due misurazioni del tutto indipendenti e che abbiano un elevatissimo grado di accordo fra di loro.

Uno dei più promettenti candidati per rimpiazzare il prototipo internazionale del chilogrammo è la misura della costante di Planck, indicata dai fisici con h, che mette in relazione la frequenza di un fotone – la particella di cui è costituita la luce – con la sua energia e che svolge un ruolo fondamentale in tutta la teoria della meccanica quantistica.

La miglior misura della costante di Planck attualmente disponibile è stata ottenuta dal National Research Council del Canada, con un’incertezza di 19 parti per miliardo. Inoltre, lo statunitense National Institute of Standards and Technology (NIST) ha da poco realizzato una misura della costante di Planck compatibile con quella canadese, con una incertezza di 34 parti per miliardo, e si propone di fare ancora meglio.

Infatti, il NIST dovrebbe riuscire entro l’anno prossimo a calcolare nuovamente e con maggiore precisione la costante di Planck, facendo scendere l’incertezza sotto la soglia di 20 parti per miliardo richiesta dal CGPM. Se l’istituto statunitense dovesse centrare questo obiettivo, già nel 2018 i tempi potrebbero essere maturi per avere una nuova definizione di chilogrammo e mandare in pensione il prototipo internazionale dopo 129 anni di onorata carriera.

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