Un peso inutile

In tutto l’universo c’è un solo oggetto che pesa esattamente un chilogrammo: è un pezzo di metallo conservato in Francia, che imbarazza gli scienziati.

Dal confronto delle definizioni del SI con quelle precedenti, si osserva la tendenza a dover svincolare le unità di misura fondamentali dai campioni materiali, per associarle a fenomeni fisici. Tra i vantaggi di tale intento vi sono la fedele riproducibilità nello spazio e nel tempo, in quanto le Costanti Universali sono conosciute con tolleranze minime, l’opportunità di poter prescindere da considerazioni soggettive e la possibilità di non associare la definizione a qualcosa di soggetto ad alterazioni ambientali.

Soltanto la definizione di una unità di misura ancora imbarazza gli scienziati: nonostante anni di sforzi per trovare un’alternativa, la definizione precisa di chilogrammo non è ancora niente di più che la massa di un piccolo cilindro di metallo alto 40 millimetri, conservato presso l’ufficio internazionale dei pesi e delle misure (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) di Sèvres, presso Parigi. Creato nel 1889 con una lega costituita al 90 per cento da platino e al 10 per cento da iridio, questo bel cilindretto non ha prezzo, perché è il solo oggetto in tutto l’universo ad avere esattamente la massa di un chilogrammo. Ne esistono 80 copie, che quando furono costruite erano perfette per quanto fosse umanamente possibile: differivano dall’originale di Sèvres di circa dieci parti per miliardo al massimo. Il guaio è che non rimangono così. Ogni poche decine di anni le copie vengono rimandate al BIPM per essere confrontate con il vero chilogrammo. E nonostante siano state costruite con un metallo a prova di corrosione e tenute in contenitori sottovuoto, la massa delle copie cambia, anche se non si capisce bene perché.

Questi cambiamenti di massa sollevano un problema più profondo sul prototipo. Dato che è fatto della stessa lega delle copie ed è conservato nelle stesse condizioni, anche la sua massa potrebbe cambiare con il tempo.

Eppure, dato che la sua massa è, per definizione, esattamente di un chilogrammo, deve essere sempre la stessa. È un paradosso, ma la ricerca di un’alternativa si è dimostrata un’impresa frustrante e difficile: vi sono varie ipotesi, tra queste il progetto noto come “Progetto di Avogadro”, che si basa sull’idea di definire il chilogrammo usando un numero fisso di componenti fondamentali della materia, cioè gli atomi. Dopo oltre vent’anni di sforzi dei più importanti laboratori di metrologia del mondo, l’obiettivo di stabilire il numero di atomi della mole con un’approssimazione inferiore a qualche decimo di parti per miliardo non è stato ancora raggiunto. All’inizio era sembrato tutto facile, la scelta del materiale era evidente: il silicio era il candidato più probabile, dato che l’industria dei microchip aveva già speso enormi somme di denaro per produrre i cristalli più puri e perfetti. Conoscendo la distanza fra gli atomi, i ricercatori potevano calcolare l’esatto volume di silicio necessario. Per quanto riguarda poi la forma da scegliere per creare il volume standard di silicio, l’ideale sembrava la sfera: può essere lavorata a un livello di levigatezza atomico, per ottenere un raggio e un volume preciso, e non ha bordi esterni che possano essere danneggiati. Anche se si tratta della struttura cristallina forse più studiata al mondo, il silicio ha riservato una brutta sorpresa agli studiosi. A metà degli anni Novanta, gruppi di scienziati tedeschi, italiani e giapponesi si sono incontrati per confrontare le loro stime del numero di atomi contenuto nel loro campione, constatando che al campione giapponese mancavano qualche migliaio di miliardi di atomi. L’errore era dovuto sia al fatto che il presunto cristallo “perfetto” era pieno di minuscoli vuoti, probabilmente creati dalle bolle di idrogeno intrappolate all’interno durante la fabbricazione, sia al fatto che la superficie delle sfere attrae uno strato di atomi di ossido e vari agenti contaminanti che influiscono su massa e dimensioni.

Attualmente si stanno facendo progressi, e l’incertezza relativa è di 150 parti per miliardo. L’obiettivo è di ridurla a 20, ma ci vorranno anni e enormi finanziamenti.

Tutto questo fa pensare anche ai più strenui sostenitori del Progetto di Avogadro che deve esserci un sistema più semplice. Per alcuni dei metrologi più illustri, il candida­to destinato a sostituire il cilindro scintillante va cercato seguendo una strada completamente diversa: la bilancia di Watt.

L’idea, concepita più di vent’anni fa da Bryan Kibble, uno scienziato inglese del National Physical Laboratory (NPL), sarebbe quella di definire il chilogrammo a partire da due cose che i metrologi sono già in grado di misurare con precisione: la tensione e la resistenza. In pratica, la bilancia di Watt è una bilancia estremamente sensibile, con un chilogrammo su uno dei due piatti e un campo elettromagnetico sull’altro. A questo punto, per definire il chilogrammo, basta misurare la forza elettromagnetica necessaria per controbilanciare il suo peso, e dividere il risultato per l’accelerazione dovuta alla gravità. Come per il Progetto di Avogadro, trasformare questa semplice idea in un modello pratico sta diventando un incubo. La bilancia è assediata da una miriade di nemici della metrologia, che vanno dai campi elettromagnetici vaganti all’attrazione della Luna. Tutte le misurazioni devono essere effettuate nel vuoto assoluto; dopo dieci anni di tentativi fatti nei laboratori americani, la precisione della bilancia di Watt ha raggiunto un fattore dieci del livello richiesto per sostituire il chilogrammo di Sèvres.

All’inizio degli anni Novanta, Michael Glaeser, uno scienziato del Physikatisch-Technische Bundesanstalt (PTB) tedesco, ebbe un’idea brillante: creare un flusso di atomi, raccoglierli in un contenitore appoggiato su una bilancia e vedere quanto tempo ci voleva per arrivare a un chilogrammo. Ancora una volta la faccenda è più complessa di quanto sembri, ma non molto. L’idea originaria di Glaeser prevedeva che fossero sparati ioni di un elemento come l’oro attraverso una serie di magneti allo scopo di formare un raggio compatto di particelle cariche: in altre parole, una corrente elettrica. A quel punto, per contare il numero degli ioni sarebbe bastato far fluire questa corrente per un po’ di tempo. Una corrente di dieci milliampere, per esempio, corrisponde a un flusso di 200 miliardi di miliardi di ioni l’ora caricati singolarmente. A quel ritmo occorrerebbero circa sei giorni per raccogliere dieci grammi di ioni d’oro, la quantità sufficiente per costituire la base di uno standard di massa. Mentre Glaeser cerca di mettere in pratica quest’idea – il problema maggiore è quello di creare una corrente abbastanza intensa, in quanto con gli ioni d’oro la corrente raggiunge solo i microampere, per cui si pensa di sostituire l’oro con il bismuto, che produce correnti di intensità più elevate – gli scienziati ritengono che debba esistere un modo più “elegante” per definire il chilogrammo, come è avvenuto per metro e secondo. Per ora, però, la definizione precisa di chilogrammo non è ancora niente di più della massa di quel pezzo di metallo conservato in una cassaforte a Sèvres.

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Soltanto la definizione di una unità di misura ancora imbarazza gli scienziati: nonostante anni di sforzi per trovare un’alternativa, la definizione precisa di chilogrammo non è ancora niente di più che la massa di un piccolo cilindro di metallo alto 40 millimetri, conservato presso l’ufficio internazionale dei pesi e delle misure (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) di Sèvres, presso Parigi. Creato nel 1889 con una lega costituita al 90 per cento da platino e al 10 per cento da iridio, questo bel cilindretto non ha prezzo, perché è il solo oggetto in tutto l’universo ad avere esattamente la massa di un chilogrammo. Ne esistono 80 copie, che quando furono costruite erano perfette per quanto fosse umanamente possibile: differivano dall’originale di Sèvres di circa dieci parti per miliardo al massimo. Il guaio è che non rimangono così. Ogni poche decine di anni le copie vengono rimandate al BIPM per essere confrontate con il vero chilogrammo. E nonostante siano state costruite con un metallo a prova di corrosione e tenute in contenitori sottovuoto, la massa delle copie cambia, anche se non si capisce bene perché. Questi cambiamenti di massa sollevano un problema più profondo sul prototipo. Dato che è fatto della stessa lega delle copie ed è conservato nelle stesse condizioni, anche la sua massa potrebbe cambiare con il tempo. Eppure, dato che la sua massa è, per definizione, esattamente di un chilogrammo, deve essere sempre la stessa. È un paradosso, ma la ricerca di un’alternativa si è dimostrata un’impresa frustrante e difficile: vi sono varie ipotesi, tra queste il progetto noto come “Progetto di Avogadro”, che si basa sull’idea di definire il chilogrammo usando un numero fisso di componenti fondamentali della materia, cioè gli atomi. Dopo oltre vent’anni di sforzi dei più importanti laboratori di metrologia del mondo, l’obiettivo di stabilire il numero di atomi della mole con un’approssimazione inferiore a qualche decimo di parti per miliardo non è stato ancora raggiunto. All’inizio era sembrato tutto facile, la scelta del materiale era evidente: il silicio era il candidato più probabile, dato che l’industria dei microchip aveva già speso enormi somme di denaro per produrre i cristalli più puri e perfetti. Conoscendo la distanza fra gli atomi, i ricercatori potevano calcolare l’esatto volume di silicio necessario. Per quanto riguarda poi la forma da scegliere per creare il volume standard di silicio, l’ideale sembrava la sfera: può essere lavorata a un livello di levigatezza atomico, per ottenere un raggio e un volume preciso, e non ha bordi esterni che possano essere danneggiati. Anche se si tratta della struttura cristallina forse più studiata al mondo, il silicio ha riservato una brutta sorpresa agli studiosi. A metà degli anni Novanta, gruppi di scienziati tedeschi, italiani e giapponesi si sono incontrati per confrontare le loro stime del numero di atomi contenuto nel loro campione, constatando che al campione giapponese mancavano qualche migliaio di miliardi di atomi. L’errore era dovuto sia al fatto che il presunto cristallo “perfetto” era pieno di minuscoli vuoti, probabilmente creati dalle bolle di idrogeno intrappolate all’interno durante la fabbricazione, sia al fatto che la superficie delle sfere attrae uno strato di atomi di ossido e vari agenti contaminanti che influiscono su massa e dimensioni. Attualmente si stanno facendo progressi, e l’incertezza relativa è di 150 parti per miliardo. L’obiettivo è di ridurla a 20, ma ci vorranno anni e enormi finanziamenti. Tutto questo fa pensare anche ai più strenui sostenitori del Progetto di Avogadro che deve esserci un sistema più semplice. Per alcuni dei metrologi più illustri, il candida­to destinato a sostituire il cilindro scintillante va cercato seguendo una strada completamente diversa: la bilancia di Watt. L’idea, concepita più di vent’anni fa da Bryan Kibble, uno scienziato inglese del National Physical Laboratory (NPL), sarebbe quella di definire il chilogrammo a partire da due cose che i metrologi sono già in grado di misurare con precisione: la tensione e la resistenza. In pratica, la bilancia di Watt è una bilancia estremamente sensibile, con un chilogrammo su uno dei due piatti e un campo elettromagnetico sull’altro. A questo punto, per definire il chilogrammo, basta misurare la forza elettromagnetica necessaria per controbilanciare il suo peso, e dividere il risultato per l’accelerazione dovuta alla gravità. Come per il Progetto di Avogadro, trasformare questa semplice idea in un modello pratico sta diventando un incubo. La bilancia è assediata da una miriade di nemici della metrologia, che vanno dai campi elettromagnetici vaganti all’attrazione della Luna. Tutte le misurazioni devono essere effettuate nel vuoto assoluto; dopo dieci anni di tentativi fatti nei laboratori americani, la precisione della bilancia di Watt ha raggiunto un fattore dieci del livello richiesto per sostituire il chilogrammo di Sèvres. All’inizio degli anni Novanta, Michael Glaeser, uno scienziato del Physikatisch-Technische Bundesanstalt (PTB) tedesco, ebbe un’idea brillante: creare un flusso di atomi, raccoglierli in un contenitore appoggiato su una bilancia e vedere quanto tempo ci voleva per arrivare a un chilogrammo. Ancora una volta la faccenda è più complessa di quanto sembri, ma non molto. L’idea originaria di Glaeser prevedeva che fossero sparati ioni di un elemento come l’oro attraverso una serie di magneti allo scopo di formare un raggio compatto di particelle cariche: in altre parole, una corrente elettrica. A quel punto, per contare il numero degli ioni sarebbe bastato far fluire questa corrente per un po’ di tempo. Una corrente di dieci milliampere, per esempio, corrisponde a un flusso di 200 miliardi di miliardi di ioni l’ora caricati singolarmente. A quel ritmo occorrerebbero circa sei giorni per raccogliere dieci grammi di ioni d’oro, la quantità sufficiente per costituire la base di uno standard di massa. Mentre Glaeser cerca di mettere in pratica quest’idea – il problema maggiore è quello di creare una corrente abbastanza intensa, in quanto con gli ioni d’oro la corrente raggiunge solo i microampere, per cui si pensa di sostituire l’oro con il bismuto, che produce correnti di intensità più elevate – gli scienziati ritengono che debba esistere un modo più “elegante” per definire il chilogrammo, come è avvenuto per metro e secondo. Per ora, però, la definizione precisa di chilogrammo non è ancora niente di più della massa di quel pezzo di metallo conservato in una cassaforte a Sèvres. Powered By GSpeech

Liberamente tratto da “Un peso inutile” - Internazionale, n. 479, 14 marzo 2003.