L’apparato strumentale del NIST che sta aiutando i fisici a ridefinire il chilogrammo. Credit: NIST
Le costanti fondamentali che governano le leggi della natura vengono determinate con una sempre maggiore accuratezza. È quanto emerge da un articolo pubblicato di recente sulla rivista Journal of Physical and Chemical Reference Data dell’American Institute of Physics (AIP) dove vengono riassunte le misure adottate dalla comunità internazionale di fisici e metrologi che si sono riuniti a Febbraio di quest’anno ad un congresso tenutosi ad Eltville, in Germania, che aveva come argomento principale della discussione le tecniche e i metodi per la determinazione delle costanti fondamentali. La conclusione è che entro il 2018 una migliore definizione di queste costanti permetterà di rivedere diverse unità scientifiche standard, tra cui il chilogrammo e il Kelvin.
Le costanti fondamentali descrivono un ampio spettro di proprietà fisiche che caratterizzano il mondo che ci circonda. La costante di Planck, ad esempio, governa la relazione tra l’energia e la frequenza. La costante di struttura fine spiega, invece, l’intensità dell’interazione elettromagnetica tra le particelle cariche. Le costanti fondamentali come queste stanno alla base dello sviluppo di gran parte della tecnologia moderna, dagli orologi atomici ai sistemi GPS, e sono collegate al Sistema Internazionale (SI), che è il sistema di misura standard che viene attualmente utilizzato dalla comunità scientifica e dalla maggior parte dei paesi. Definire le unità di misura, come il metro, in termini di costanti fondamentali fissate, come la velocità della luce, assicura il fatto che esse rimangono costanti nel corso del tempo.
Il grafico mostra i valori della costante di Planck presentati durante il congresso da Barry Wood (NRC). Credit: B. Wood – Citation: J. Phys. Chem. Ref. Data 44, 031101 (2015); http://dx.doi.org/10.1063/1.4926575
Tuttavia, alcune unità del sistema SI si basano ancora su uno standard fisico. Nel caso del chilogrammo il prototipo internazionale (“Le Grand Kilo“), realizzato nel 1875 e attualmente conservato presso il Bureau International des Poids et Mesures a Sèvres, in Francia, è un cilindro retto a base circolare che misura 39 mm in altezza e diametro ed è composto da una lega di platino (90%) e iridio (10%). Ora, poichè la ricerca scientifica viene effettuata in tutto il mondo, basarsi su un unico standard è un po’ limitativo dato che in altri paesi gli standard di massa devono essere periodicamente calibrati rispetto all’originale. In più, lo stesso standard è soggetto a variazioni della massa nel corso del tempo.
Per rendere il sistema di misura più consistente e accessibile, gli scienziati stanno pensando di ridefinire entro il 2018 tutte le unità di misura del sistema SI in termini di costanti fondamentali. Però, prima di ridefinire un intero sistema di unità di misura, è importante essere certi che le costanti fondamentali su cui si basa la nuova definizione siano estremamente accurate e precise. E dato che le diverse procedure di misura o le tecniche di raccolta dei dati possono dare risultati leggermente differenti, determinare i valori esatti di queste costanti può risultare un lavoro alquanto meticoloso. «L’obiettivo del sistema SI è quello di fornire i migliori standard possibili e la nuova definizione rappresenterà un passo verso quella direzione», spiega Peter Mohr del National Institute for Standards and Technology (NIST).
Il grafico mostra i valori della costante di Boltzmann presentati al congresso da Laurent Pitre (LNE). Credit: L. Pitre – Citation: J. Phys. Chem. Ref. Data 44, 031101 (2015); http://dx.doi.org/10.1063/1.4926575
Fortunatamente, alcuni valori delle costanti precedentemente contestate sembrano essere convergenti. Ad esempio, dalle discussioni emerse durante il congresso sono stati evidenziati gli ultimi progressi nella determinazione della costante di Boltzmann, che spiega la relazione tra la temperatura e l’energia della particella. Con il nuovo sistema SI, la costante di Boltzmann fissata sarà utilizzata per definire il Kelvin, che è l’unità SI della temperatura. Anche per la costante di Planck si sono fatti dei progressi. «Nel passato, la costante di Planck ha rappresentato un grosso problema dato che avevamo di fronte valori divergenti ottenuti da diversi esperimenti. Comunque, i dati sembrano convergere ad un valore sufficientemente affidabile per la nuova definizione del sistema SI», dice Mohr. Anche in questo caso, la costante di Planck sarà fissata e utilizzata per definire il chilogrammo. «In futuro, le nuove definizioni renderanno esatte molte costanti fisiche che vengono misurate oggi. Altre, nonostante non siano esatte, saranno invece più accurate”, aggiunge Mohr. “Ciò permetterà di stabilizzare i valori delle costanti e di fornire standard di misure più accurati».
Durante il congresso sono stati poi presentati gli ultimi “aggiustamenti” ai valori ufficiali di un certo numero di costanti fisiche fondamentali, ora disponibili online. Queste correzioni non sono quelle definitive, cioè prima che si abbia la ridefinizione del sistema SI nel 2018, ma rappresentano comunque un passo in avanti. Insomma, un consenso sempre crescente sui valori di alcune costanti fisiche fondamentali suggerisce che siamo quasi pronti a fissare i loro valori per passare, in definitiva, ad un sistema di misura più affidabile.
Journal of Physical and Chemical Reference Data: Savely G. Karshenboim, Peter J. Mohr & David B. Newell – Advances in determination of fundamental constants