Il nuovo Sistema Internazionale delle unità di misura

Il Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI) è il sistema adottato dalla maggior parte dei paesi del mondo che aderiscono alla “Convenzione del Metro”, un trattato internazionale firmato dall’Italia nel 1875.
Il SI è l’evoluzione del sistema metrico decimale dei pesi e delle misure inventato dai francesi durante la Rivoluzione. Gli ideali di giustizia e di uguaglianza che permeavano le attività dell’Assemblea Nazionale si concretizzarono anche nella creazione di un sistema di unità di misura che fosse valido “per tutti i popoli e per tutti i tempi”, cioè basato su definizioni universali e non legato per esempio al piede di un re. La situazione delle unità di misura all’epoca era infatti complicatissima. Centinaia di unità erano utilizzate per misurare distanze, lunghezze, pesi e volumi. Variavano per fattore di scala, per tipologia di oggetto e di paese in paese, rendendo complicati i commerci e facili le truffe ai danni dei meno istruiti.
In un primo momento, Il metro fu definito come la decimilionesima parte del semimeridiano terrestre e il kilogrammo come il peso di un decimetro cubo di acqua. In teoria, chiunque avrebbe potuto realizzare le due unità partendo dalla loro definizione. Tuttavia, per motivi pratici, si decise quasi subito di costruire due manufatti di platino-iridio che fossero più facilmente replicabili: una barra lunga un metro divenne così il “metro campione” e un cilindro con una massa di un kilogrammo, il “kilogrammo campione”. Questi due oggetti hanno “materializzato” le unità di misura della lunghezza e della massa per moltissimo tempo. E proprio la nuova definizione del kilogrammo, che entrerà in vigore tra qualche mese, metterà fine a una lunga rivoluzione che nel corso dell’ultimo secolo ha riguardato la metrologia, cioè la scienza che si occupa della misurazione e delle sue applicazioni.

In Italia l’ente pubblico di ricerca scientifica che svolge le funzioni di istituto metrologico nazionale è lINRIM. L’INRIM realizza, mantiene e sviluppa i campioni di riferimento nazionali delle sette unità di base del Sistema Internazionale (SI) e delle rispettive unità derivate. Attraverso tali campioni garantisce l’affidabilità delle misure a livello nazionale e la loro comparabilità a livello internazionale.

 

Quali sono le grandezze che fanno parte del Sistema Internazionale di misura?

Un sistema di unità di misura definisce un insieme di grandezze e le relative unità, che permettono di misurare tutti i fenomeni che descrivono il mondo fisico. Negli anni, oltre alla lunghezza, alla massa e al tempo, sono state definite altre grandezze necessarie per descrivere nuove discipline fisiche: la temperatura per la termodinamica, la corrente elettrica per l’elettromagnetismo, la quantità di sostanza per la chimica e la intensità luminosa per l’illuminotecnica.
Oggi il SI si basa su sette “grandezze di base”, ognuna con la propria unità di misura:

    1. il tempo, che si misura in secondi;
    2. la lunghezza, che si misura in metri;
    3. la massa, che si misura in kilogrammi;
    4. la temperatura, che si misura in kelvin;
    5. l’intensità di corrente elettrica, che si misura in ampere
    6. la quantità di sostanza, che si misura in moli;
    7. l’intensità luminosa, che si misura in candele.

Le prime cinque permettono di descrivere (e misurare) tutto il mondo fisico oggi conosciuto o direttamente o attraverso grandezze derivate.

La mole è l’unità di base per la chimica e serve per misurare la quantità di sostanza. La quantità di sostanza è quindi una grandezza a sé che non dipende dalle altre.

La candela è l’unità che serve per misurare le grandezze fotometriche, cioè quelle che hanno a che fare con la percezione della luce da parte dell’occhio umano. La definizione della candela è l’unica legata a un parametro fisiologico: il “coefficiente di visibilità”.

 

Quali sono le odierne definizioni delle unità di misura del SI?

Le definizioni delle unità di misura dell’attuale SI sono disomogenee, cioè basate su criteri completamente diversi tra loro. Vediamole una per una.

Il secondo, in origine definito attraverso la suddivisione del giorno in parti uguali, è oggi definito attraverso il conteggio delle oscillazioni dell’atomo di cesio. Il metro, originariamente definito come la decimilionesima parte del semimeridiano terrestre, è definito attraverso la velocità della luce e il secondo. Visto che la frequenza di oscillazione dell’atomo di cesio e la velocità della luce sono costanti universali, sia il metro e che il secondo sono definiti attraverso delle costanti che non variano nello spazio e nel tempo. Anche la candela è definita fissando il valore del coefficiente di visibilità.

Il kelvin invece è definito attraverso uno stato della materia, cioè assegnando un valore alla temperatura del punto triplo dell’acqua (dove le fasi liquida, solida e gassosa dell’acqua coesistono). Tutte le altre temperature, dallo zero assoluto alle migliaia di gradi, sono estrapolate attraverso funzioni empiriche.

L’ampere è definito attraverso un esperimento ideale (misura della forza di attrazione tra conduttori infinitamente lunghi e infinitamente sottili), e in pratica si realizza attraverso esperimenti reali che approssimano la definizione.

La mole ha una definizione una definizione sperimentale, che utilizza procedure di pesata.

Infine il kilogrammo è definito attraverso un oggetto materiale, cioè, come duecento anni fa, è reso materialmente da un oggetto fisico unico: un piccolo cilindro di una lega di platino-iridio conservato a Sèvres.
In particolare la definizione del kilogrammo è sempre stata una spina nel fianco della comunità dei metrologi: se l’intento dei legislatori “rivoluzionari” era di realizzare unità di misura universali, che tutti i popoli potessero, almeno idealmente, riprodurre in autonomia, l’attuale definizione non risponde certo a questi requisiti. Oltre due secoli di ricerche e progresso scientifico non sono bastati per trovare una definizione migliore per l’unità di massa. Solo negli ultimi anni si è riusciti a trovare la “ricetta” per realizzare il kilogrammo attraverso una costante della fisica, come già avviene per il secondo e per il metro. Questo traguardo ha stimolato la revisione di tutto il SI per legare tutte le sette unità ad altrettante costanti della fisica.

 

Quali sono le nuove definizioni delle unità di misura del SI?

Il kilogrammo sarà finalmente definito fissando il valore della costante di Planck, h; nella pratica il kilogrammo si realizzerà confrontando la forza peso generata dalla massa con una forza elettromagnetica attraverso una speciale bilancia: la bilancia di Kibble.
La mole si definirà attraverso il Numero di Avogadro, NA. Il kelvin sarà definito attraverso la costante di Boltzmann, k; nella pratica si utilizzeranno speciali termometri in grado di misurare i parametri di un gas attraverso la velocità del suono.
L’ampere si definirà attraverso la carica dell’elettrone, e: oggi è infatti possibile definire l’ampere contando uno per uno gli elettroni che attraversano un conduttore in un secondo, anche se per ora soltanto per correnti molto piccole.

Come abbiamo detto, metro, secondo e candela, sono già legati a delle costanti e le loro definizioni verranno cambiate solo nella forma, non nella sostanza.

Queste le nuove definizioni:

    • secondo | s
      Il secondo è definito dal valore numerico prefissato della frequenza del cesio ΔνCs (la frequenza della transizione iperfine dello stato fondamentale imperturbato dell’atomo di cesio 133), pari a 9 192 631 770 quando espresso in Hz (che equivale a s−1).
    • metro | m
      Il metro è definito dal valore numerico prefissato della velocità della luce nel vuoto c, pari a 299 792 458, quando espresso in m s−1.
    • kilogrammo | kg
      Il kilogrammo è definito dal valore numerico prefissato della costante di Planck h, pari a 6.626 070 15 × 1034, quando espresso in Js (che equivale a kg m2 s−1).
    • ampere | A
      L’ampere è definito dal valore numerico prefissato della carica elementare e, pari a 1.602 176 634 × 10−19, quando espresso in C (che equivale ad A s).
    • kelvin | K
      Il kelvin è definito dal valore numerico prefissato della costante di Boltzmann k, pari a 1.380 649 × 10−23 J K−1 (che equivale a kg m2 s−2 K−1).
    • mole | mol
      Una mole contiene esattamente 6.022 140 76 × 1023 entità elementari. Questo numero corrisponde al valore numerico prefissato della costante di Avogadro NA, espresso in mol–1, ed è chiamato numero di Avogadro.
    • candela | cd
      La candela è definita dal valore numerico prefissato del coefficiente di visibilità della radiazione monocromatica con frequenza 540 × 1012 Hz Kcd, pari a 683, espresso in lm W−1, o in cd sr W−1 (che equivale a cd sr kg−1 m−2 s3).

Se vuoi approfondire i dettagli che porteranno alla nuova definizione del kilogrammo, puoi leggere questo Come te lo spiego scritto da Paolo Cavallo.

 

Perché sarà importante il “nuovo” Sistema Internazionale di unità di misura?

Il nuovo SI entrerà in vigore il 20 maggio 2019, anniversario della Convenzione del Metro del 1875. Anche se le nuove definizioni possono sembrare un po’ più complicate di quelle vecchie, tra qualche mese tutte le unità del SI saranno davvero universali e il sogno degli illuministi del Settecento sarà finalmente realizzato. Le nuove definizioni delle unità di misura sono infatti legate a sette costanti fondamentali che sono fissate con un valore numerico esatto, senza incertezza, che rimarrà invariato per sempre.
Utilizzando il valore esatto della costante si può ricavare la grandezza con qualunque esperimento che correli la grandezza stessa con la costante. Ad esempio, fissata la velocità della luce in metri per secondo, si può misurare una distanza fra due punti misurando il tempo la luce impiega a percorrerla (come si fa per misurare la distanza Terra-Luna) oppure contando le lunghezze d’onda che stanno fra i due punti con un interferometro (per ogni onda elettromagnetica: lunghezza d’onda x frequenza = velocità della luce).
Anche se l’impatto che il nuovo SI avrà sulla nostra quotidianità sarà apparentemente nullo perché il valore delle unità di misura non cambia, grazie alle nuove definizioni l’incertezza associata alle misure potrà essere ridotta senza limiti. L’unico limite sarà dato dall’esperimento con cui si esegue la misura, ma non sarà più legato alla definizione delle unità. In prospettiva questo sarà un vantaggio enorme per la scienza, perché il legame misurazione-avanzamento della conoscenza è imprescindibile e misure migliori possono solo dare risultati scientifici migliori.

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