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L'oggetto più tondo del mondo

La sfera di silicio 28 pesante 1 Kg

Cosa sono le unità di misura? Ve lo siete mai chiesto? Quali sono, chi le ha elaborate, e come? Come siamo arrivati a quelle che tutti noi conosciamo? Ma soprattutto: cosa hanno a che fare tra loro la sfera più perfetta che l'ingegno dell'uomo abbia mai prodotto e il prototipo del chilogrammo? Scopriamo insieme tutto questo e vediamo come e perché gli scienziati hanno intenzione di ridefinire un concetto apparentemente chiaro a tutti.

Dunque, partiamo dall'inizio. Pochi giorni fa, non avendo molto da fare, mi sono perso nell’immensità di Youtube e, clicca che ti riclicca, l’occhio mi è andato su un video -il cui link ho riportato in fondo all’articolo- che mi ha incuriosito. Solo in seguito ho appreso che la notizia non è freschissima, quindi forse la questione è già nota a qualcuno, ma siccome mi ha interessato al punto da volermi documentare più a fondo sull’argomento, spero di fare cosa gradita condividendola con voi.

Il titolo del video in questione recita “World’s roundest object”, che tradotto vuol dire “l’oggetto più tondo del mondo”. In questa clip di una decina di minuti, un ragazzo americano dalla faccia sorridente ci descrive una singolare impresa in cui si sono impegnati alcuni scienziati in Australia: essi hanno dedicato il loro tempo e le loro energie alla fabbricazione di una sfera di silicio di un chilogrammo, che hanno poi sottoposto a una lunga e meticolosa operazione di levigatura con sabbie finissime, per renderla il più possibile simile all’ideale di una sfera perfetta, senza irregolarità, anche e soprattutto a livello nanometrico: è infatti talmente liscia che, se la Terra lo fosse altrettanto, lo scarto tra la montagna più alta e la valle più profonda misurerebbe solo 40 metri! Il costo per il solo materiale usato per la fabbricazione di tale oggetto è pari a un milione di euro! Ora, La domanda che immediatamente viene spontaneo porsi è: perché, con tutti i problemi che abbiamo al mondo, gli scienziati avrebbero deciso di spendere tutto quel denaro e migliaia di ore lavorative per… una palla? La questione potrebbe suonare banale, ma ci accorgeremo che non lo è, e la risposta alla domanda richiede una digressione che riguarda le unità di misura e il Sistema Internazionale delle Unità di Misura.

Cosa sono le unità di misura? Tutti noi ne usiamo qualcuna quotidianamente, quindi ognuno ne ha una seppur vaga idea, ma in realtà pochi ne hanno una comprensione profonda. A ben pensarci, infatti, non sono concetti semplici da immaginare, o da definire. Possiamo dire che le unità di misura siano dei valori fissi, standard, che ci permettono di descrivere il mondo che ci circonda. Fin dagli albori della storia, l’uomo ha avuto bisogno di elaborare metodi che gli permettessero di avere una precisa percezione del suo ambiente e ovviamente questi metodi si sono evoluti nel corso del tempo, con il crescere delle conoscenze e delle esigenze dell’uomo stesso. In passato, come unità di misura, venivano spesso usati oggetti fisici, che facevano da “prototipo” di una certa grandezza. Ad esempio, fin dall’antichità, si sono usate parti del corpo come unità indicative della lunghezza: i romani usavano il digitus (dito), il palmus (palmo) o il pes (piede); mentre gli antichi egizi usavano il cubito, pari alla distanza dal gomito alla punta del dito medio. Del resto ancora oggi, in alcuni paesi, certe misure sono chiamate piede o pollice. Un altro modo di stabilire l’entità di una misura era, e in alcuni casi è ancora, quello di prendere come unità di riferimento un oggetto vero e proprio (per esempio un’asta) oppure una certa quantità di qualcosa (giorni di cammino).

Oggi i metodi sono più moderni e ci permettono disporre di unità di misura che nel tempo sono state definite e organizzate sistematicamente: ogni grandezza viene identificata con un’unità di base, di cui poi si elaborano multipli e sottomultipli, in modo da poter disporre di diverse scale di valori, in base a ciò che si deve misurare. Le unità più comuni sono raccolte e descritte nel Sistema Internazionale delle Unità di Misura (normalmente abbreviato in SI). Questo sistema è stato elaborato nel 1889 ed è il più utilizzato dalla gran parte dei paesi occidentali.

Le unità di base del SI sono sette:

- Ampere (A): misura l’intensità di corrente elettrica;

- Candela (cd): misura l’intensità luminosa;

- Metro (m): misura la lunghezza;

- Chilogrammo (kg): misura la massa;

- Mole (mol): misura la quantità di sostanza;

- Kelvin (K): misura la temperatura;

- Secondo (s): misura il tempo.

Oltre queste unità ve ne sono poi tante altre che definiscono grandezze ricavate mettendo in relazione quelle base: ad esempio la frequenza (numero di ripetizioni di un evento in una certa unità di tempo), che si misura in Hertz (Hz), o la velocità (distanza percorsa in funzione del tempo), che si misura in metri al secondo (m/s). Infine vi sono altre unità, che pur non facendo parte del sistema, sono da questo comunemente accettate perché molto diffuse (si pensi al litro, al giorno, o al miglio nautico).

Il SI è gestito da tre istituzioni internazionali: la Conferenza Generale dei pesi e delle misure e il Comitato Internazionale dei pesi e delle misure, entrambi collegati all’Ufficio Internazionale dei pesi e delle misure, che ha sede a Sèvres, non lontano da Parigi. Tutti e tre hanno lo scopo di coniare precise definizioni delle singole unità di misura, e soprattutto di uniformarle, in modo che siano valide in tutti gli stati che aderiscono a questi organismi. Se però provassimo a leggere una di queste definizioni, molto probabilmente rimarremmo sorpresi nel constatare il grado di complessità con cui esse sono elaborate. Ad esempio, un concetto apparentemente semplice come quello di “secondo” viene definito dagli scienziati in questo modo (cito Wikipedia): “Il secondo è definito come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133”. Anche una persona di buona cultura, se “non addetta ai lavori”, incontrerebbe serie difficoltà nel districarsi fra termini tanto imponenti e frasi di una simile tecnicità. Ma perché complicare le cose in questo modo?

La risposta sta proprio nel bisogno di uniformare la definizione: si deve fare in modo di renderla astratta, legandola a qualcosa di noto o almeno di conoscibile, che sia anche il più possibile fisso e immutabile, come un concetto. Le definizioni delle unità di misura -ma in generale di tutti i concetti tecnici- sono così complesse perché sono spesso legate ad un’idea, cioè a qualcosa che non appartiene al mondo fisico, e di cui non si può avere una percezione, se non studiando a fondo la materia.

Solo così la definizione può essere resa comprensibile in maniera esatta per qualcun altro. Solo con quella definizione, nonostante la sua complessità, scienziati da più parti del mondo riusciranno ad intendersi perfettamente parlando di secondi, perché la parola “secondo” identificherà esattamente la stessa cosa per tutti.

Le unità del Sistema Internazionale hanno tutte una definizione del tipo di quella del secondo; sono più o meno complesse ma sempre legate ad un determinato concetto. Ma proprio tutte? A ben guardare no. Ve ne è una la cui definizione, ancora oggi, gli scienziati legano a un oggetto fisico: il chilogrammo.

Originariamente il chilogrammo fu definito come il peso di un decimetro cubo di acqua, ma subito ci si accorse della scomodità, soprattutto pratica, di un simile sistema. Nel 1799 fu così fuso un cilindro di platino, di quell’esatto peso, che divenne IL chilogrammo per definizione. Ancora oggi quest’ultimo è alla base del nostro sistema dei pesi ed è definito IPK (International Prototype Kilogram).

L’IPK è conservato sotto tre campane di vetro, nell’Ufficio Internazionale dei pesi e delle misure, in una specie di bunker iper-protetto. Il motivo di tutta questa sicurezza è facilmente intuibile: se l’IPK subisse qualunque tipo di alterazione, o peggio, andasse distrutto o perduto, noi non saremmo più in grado di sapere con esattezza a quanto corrisponde un chilogrammo. Il guaio è che l’IPK è un oggetto fisico e, nonostante i sistemi di sicurezza, nel corso del tempo si sono registrate variazioni nella sua struttura atomica, che hanno portato all’alterazione della sua massa. Il risultato è che si imposta un sistema che dovrebbe essere quanto più esatto e fisso possibile, su un’unità, di base, esatta e fissa non è! Lo stesso problema si era posto con riguardo a un altro oggetto, anch’esso conservato a Sèvres: la barra di platino-iridio che dal 1889 fino al 1960 ha fatto da prototipo del metro.

Su questa barra si faceva affidamento per fabbricare eventuali copie del metro ma, a parte il fatto che le repliche non potevano mai essere precisamente identiche all’originale, lo stesso metro campione è soggetto ad alterazioni dello stesso tipo di quelle che affliggono l’IPK. Questo ha spinto a ricercare una nuova definizione del metro, legata ad un concetto, quindi più precisa: infatti oggi il metro non corrisponde più a “1/1.000.000 della distanza tra equatore e polo nord, calcolata sul meridiano di Parigi”, ma corrisponde alla “distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 di secondo”.

Ecco che allora siamo pronti a rispondere alla domanda da cui abbiamo preso le mosse. Lo scopo di quella costosa sfera di silicio è quello di disancorare la definizione del chilogrammo da un oggetto fisico, e renderla fissa legandola ad un concetto, fisso a sua volta: un numero. Conoscendo la densità del silicio 28 (l’isotopo del silicio di cui la sfera è composta) e il volume esatto della sfera, gli scienziati possono facilmente ricavare il numero preciso di atomi che la compongono. Così un chilogrammo corrisponderebbe “semplicemente” al peso di 2,15x1025 atomi di silicio 28, e ogni laboratorio che ne avesse bisogno, sarebbe in grado di replicare il proprio prototipo del chilogrammo, o quantomeno di usare esattamente lo stesso parametro per determinare un certo peso.
Un’ultima curiosità: perché proprio una sfera e non un cubo o un cristallo amorfo di silicio? Perché la sfera è la forma geometricamente più semplice: è un’unica superficie senza spigoli né angoli, quindi c’è meno possibilità di imperfezioni, nonché di errori di conteggio degli atomi.

Questa del chilogrammo e della sua ridefinizione è una di quelle vicende che non fanno scalpore, che non cambiano di molto la vita di chi ne legge o ne sente parlare, se non aggiungendo una curiosità, al limite la voglia di documentarsi un po’ di più, come è successo a me. Nonostante ciò, io ritengo che questo sia un passo avanti nella scienza e nella conoscenza del nostro mondo, perché io sono sicuro che gli sforzi degli scienziati, in qualunque progetto vengano profusi, siano utili al progresso di tutta l’umanità. Magari, in seguito a questa impresa di alcuni, altri saranno in grado di fare scoperte sensazionali, chi può saperlo? Nel dubbio, sono contento che la scienza abbia portato a un altro risultato positivo e mi sento arricchito per il semplice fatto di sapere una cosa in più. Per molti questa impresa non sarà eclatante come la scoperta di una nuova medicina, e può anche darsi che sia così, ma in fondo pensiamoci: non è con i piccoli passi che si coprono le grandi distanze?

Sperando che l’articolo sia risultato di vostro gradimento e che l’argomento vi abbia interessato, per chi volesse conoscere più a fondo la storia del chilogrammo e altre curiosità sulla sfera, allego il link del video e quello della pagina del progetto sul sito della CSIRO, l’organizzazione internazionale che lo ha curato.

 

 

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ritratto di Piero Boccadoro

Mi è sembrato molto

Mi è sembrato molto interessante questo articolo.
Leggerlo mi ha arricchito.
Condivido lo spirito con cui è stato scritto: conoscere significa approfondire tutto ciò che si può appena se ne ha l'occasione.
Devo confessarlo, e non me ne voglia nessuno: è stato uno dei più begli articoli passati in questo contest.
Almeno secondo il mio personalissimo parere :)
Complimenti!

ritratto di adrirobot

Campione dell'Ampere

Ciao Antonello
Effettivamente l’articolo è interessante, i miei ricordi scolastici (non aggiornati) erano rimasti al cilindro da 1 kg.
Forse nell'articolo avrei inserito, per attinenza con l’elettronica la descrizione dell’Ampere che come definizione è:

Un ampere è l'intensità di corrente elettrica che, se mantenuta in due conduttori lineari paralleli, di lunghezza infinita e sezione trasversale trascurabile, posti a un metro di distanza l'uno dall'altro nel vuoto, produce tra questi una forza pari a 2×10-7 newton per metro di lunghezza.

Per il campione di misura, attualmente la maggior parte degli istituti metrologici nazionali utilizza banchi di pile campione e resistori per il mantenimento dei campioni primari dell'ampere.
Il campione di intensità di corrente elettrica è ricavato dalla legge di Ohm mediante due campioni, uno di f.e.m.( Forza elettromotrice) e uno di resistenza.
In Italia tali campioni sono custoditi presso l'IENGF di Torino.
Un saluto
Adriano

ritratto di Gianluca Angelone

Mi associo ai complimenti: un

Mi associo ai complimenti: un articolo scientifico in un ambito tecnico/elettronico come questo non può che farci piacere (d’altronde la tecnica e la scienza sono due facce della stessa medaglia).
Vorrei aggiungere una piccola curiosità: tra gli inventori di quello che oggi si chiama sistema internazionale di misura c’è anche un italiano: l’ingegnere elettrotecnico (nonché fisico) Giovanni Giorgi. Oltre che come “sistema MKS” (metro, chilogrammo, secondo), prima dell’adozione del nome attuale, il S.I. era conosciuto anche come “sistema Giorgi”.
Se mi si permette, vorrei anche dire che l’adozione di definizioni “complicate” per le grandezze base è dovuta, più che alla capacità di comprensione universale fra scienziati, alla necessità di liberarsi dalla dipendenza da un campione: un “oggetto” che, poi, deve essere “immutabile”. Ci si rivolge allora a “fenomeni fisici” che siano ripetibili in qualunque laboratorio attrezzato per garantire la precisione richiesta.

ritratto di Marven

E bravo Antonello! :D ottima

E bravo Antonello! :D ottima informazione, ho letto con estrema attenzione anche perchè è qualcosa che ha fatto parte di un lavoro che ho svolto per un breve periodo di tempo e per quelli che vogliono approfondire su quanto hai scritto consiglierei di googlare Metrologia e Strumenti di Misura, si aprirà tutto un altro mondo...
I controlli Metrici vengono effettuati per confronto con Campioni nazionali riferiti ed accurati (i Campioni, a loro volta, sono soggetti a controlli biennali), tutte le aziende con marchio ISO hanno l'obbligo di certificare annualmente i loro attrezzi: chiavi dinamometriche, bilance, metri, squadre etc etc, io effettuavo questi controlli in tutta la Regione, certificando il grado di precisione di questi strumenti e, come ho scritto sopra, ogni due anni eravamo obbligati a far controllare i nostri Campioni per essere a loro volta certificati.
Mi è d'obbligo quotare in tutto Piero ringraziandoti per le interessanti informazioni che hai condiviso, devo anche associarmi ai complimenti.
Ciao
Mario

ritratto di Antonello.90

Ciao a tutti ragazzi, prima

Ciao a tutti ragazzi,
prima di tutto vi ringrazio tutti per i complimenti, sono apprezzatissimi!! Ringrazio poi anche Piero e lo staff per avermi concesso questo spazio! :)
@Adriano, in effetti avevo pensato di aggiungere definizioni e dati scientifici, ma ho pensato che avrebbero allungato l'articolo e forse sarebbero risultate un po' pesanti! Grazie comunque di averne fatto cenno nel commento :)
@ Gianluca : infatti, l'articolo ruota proprio attorno a quello: le definizioni sono complicate sia perché i concerti non sono di immediata comprensione, e poi soprattutto perché per la modernità dei sistemi definitòri di oggi, legarle a un oggetto fisico non è più sufficiente!! Grazie in ogni caso di aver precisato la cosa del sistema Giorgi, non fa mai male rimarcare quando un italiano contribuisce a qualcosa di così importante!!! :D
@ Mario, grazie anche a te, questo è il primo articolo in assoluto che mi capita di pubblicare su internet, e sono contento che sia stato gradito!
Buona serata a tutti!!! :D

Anto

ritratto di adrirobot

Uniformità di sistemi di misura a livello globale

Ciao
Dato che si parla di unità di misura, occorre far presente che questo sistema non è ancora diffuso a livello planetario.
Ancora adesso abbiamo la coesistenza di sistemi di unità di misura diversi, soprattutto nel campo della lunghezza per esempio tra Europa e America.
Clamoroso era stato l’esempio nel 1998, lo schianto del satellite Mars Climate Orbiter che venne distrutto quando, invece di mettersi a un’altezza di 140—150 km dalla superficie di Marte, s’inserì nell'atmosfera marziana a un’altezza di soli 57 km.
La sonda fu distrutta dagli stress causati dall'attrito presente a quell'altezza con l'atmosfera.
Si scoprì che alcuni dati erano stati calcolati a Terra in base all'unità di misura del sistema imperiale (libbra-forza/secondi), e riferiti al team di navigazione che invece si aspettava i dati espressi in unità di misura del Sistema metrico decimale (newton/secondi).
La sonda non era in grado di effettuare conversioni tra le due unità di misura.
Altro esempio, e dato dai sistemi di fissaggio, presenti magari su sensori (accelerometri) di produzione americana con filettature espresse in pollici, che in Italia non sono neppure in vendita.
Un saluto
Adriano

ritratto di delfino_curioso

Mi associo anche io ai

Mi associo anche io ai complimenti, tra l'altro l'elettrotecnica e l'elettronica per loro natura sono due ambiti scientifici che ben si prestano a lavorare con misure, il più delle volte indirette, quindi un ripasso per l'intera community su queste questioni fondamentali non fà assolutamente male.
L'approccio usato alla ridefinizione del kg è molto interessante anche se, agli occhi di un profano come me, fà sorgere altre domande:
Come si può rifinire una sfera fino a renderla (quasi) priva della rugosità del materiale di cui è composta?
Non sarebbe questo un metodo in qualche modo sempre legato all'oggetto prodotto piuttosto che al concetto? (Nel senso che per riprodurre il prototipo dovremmo essere certi che il processo di rifinitura sia sempre ugualmente ripetibile e con gli stessi risultati).
Certo, questo problema si presenta anche per i metodi di indagine sulle misure già assunte: ad esempio, se due strumenti di misura del tempo presentano una taratura leggermente diversa, ecco che ci perderemmo il concetto univoco di "metro" (per fortuna entrano poi in gioco la stima dell'errore e le relative tolleranze a livello infinitesimale...).
E infine, come si è espressa la comunità scientifica in merito? Il progetto è al vaglio o in step precedenti/successivi?
Ad ogni modo, grazie per questa "chicca" e per i link alle fonti, mi hai dato lo spunto per documentarmi anch'io poiché la materia, anche se di minor utilità pratica (nel senso di "quotidiana") è comunque un buon cibo per le nostre menti ;-)

ritratto di Antonello.90

@ Adriano: caspita non

@ Adriano: caspita non conoscevo questa vicenda, se non fosse così seria fa quasi venire dal ridere! Per una simile sciocchezza sono andati in fumo milioni di dollari! Questo però non è relativo tanto all'uniformazione delle definizioni, quanto piuttosto al fatto che in due continenti si usino sistemi completamente diversi! E la cosa diventa ancora più strana se si pensa che chi è riuscito a mandare una sonda in orbita non abbia pensato a una cosa simile!!
@ delfino: grazie anche a te, mi fa piacere che ti sia piaciuto. Sinceramente non so di preciso come abbiano fatto, lì mostrano degli strumenti per levigare superfici sferiche e nominano l'uso di paste molto fini; ho letto anche di strumenti molto sofisticati di misura laser.. Per quanto riguarda la comunità scientifica, credo che abbia appoggiato il progetto, che tra l'altro (l'ho omesso nell'articolo per evitare si farlo troppo lungo) non era rivolto solo alla ridefinizione del chilo: lo scopo finale era quello di ridefinire il numero di avogadro: mentre prima la definizione del numero di avogadro si basava sulla definizione del chilo, adesso, grazie a questa sfera la relazione si è invertita: con essa si è stabilito esattamente il valore del numero di avogadro, e ora, grazie a questo nuovo numero si è ridefinito il chilogrammo! Potete comunque trovare informazioni in merito sia nel video che ho linkato, sia semplicemente su internet digitando "progetto avogadro"!
Saluti a tutti,

Anto

 

 

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