Il 14 maggio 2024 si è svolta nella Sala Piramide del Centro Congressi dell’Unione Industriali di Torino in V. Vela, 17 la seconda delle tre Conferenze di Metrologia, organizzate dal CDT per i propri soci e tenute dall’Ing. Alessandro Balsamo di INRiM – Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, dal titolo: “Il Sistema Internazionale delle Unità di Misura – SI”.

Ricordiamo che la terza ed ultima conferenza del Ciclo, dal titolo “Misurare per decidere” sarà tenuta nello stesso luogo il 18 giugno; inoltre, nell’ottica di un naturale approfondimento della conoscenza del mondo metrologico, il 4 Giugno si terrà una visita presso i laboratori INRIM di Strada delle Cacce 91, Torino.

Si rimanda alla news sulla prima Conferenza, già pubblicata su questo sito web, per le informazioni relative all’INRiM, formalmente costituito nel 2006 dall’unione dell’Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris con l’Istituto di Metrologia Gustavo Colonnetti, fondati entrambi a Torino nel secolo scorso.

L’incontro è iniziato con la presentazione del relatore Ing. Alessandro Balsamo da parte dell’Ing. Michele Verdi, socio CDT e Membro del Team T-S, che ha organizzato il ciclo di eventi.
L’Ing. Balsamo è Dirigente di Ricerca dell’INRiM, Struttura AE Metrologia applicata e Ingegneria, Settore AE 02 Metrologia della lunghezza: per ulteriori informazioni sulle sue attività professionali si rimanda anche in questo caso alla News sulla prima Conferenza sopra citata.

È seguito il saluto istituzionale del Presidente del CDT Antonio Errichiello che attraverso una sua breve introduzione ha evidenziato attraverso esempi come la capacità di potere misurare con precisione grandezze quali ad es. il peso e la temperatura sia certamente indispensabile nel campo delle attività professionali, industriali o commerciali che siano, ma anche in quello privato per potere organizzare al meglio la soddisfazione delle necessità quotidiane.
Il Presidente ha poi aggiunto che oggi sempre di più siamo circondati da un mondo metrologico che “ci avvolge” e che scandisce i “battiti della nostra vita”, di cui neanche ci rendiamo conto, tanto è forte questo paradigma della nostra mente che ormai è entrato nel nostro modo di vivere corrente.

Ha quindi preso la parola il Relatore Balsamo che ha illustrato ai Soci presenti le basi teoriche dello SI descrivendo le sette grandezze di base ed evidenziandone i pregi, ma anche i limiti con la conseguente necessità del nuovo SI, approvato all’unanimità dai 54 delegati degli Stati membri nella 26a CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures) tenuta a Versailles il 2018-11-16 e in vigore dal 2019-05-20, esattamente 5 anni fa.

1. Importanza dello SI, la «lingua delle misure»

Il 1° argomento trattato è consistito in una cronistoria delle attività di definizione delle unità di misura delle grandezze fisiche iniziate nel 1799 con la fabbricazione dei prototipi del metro e del kilogrammo e il loro deposito presso gli Archivi della Repubblica Francese presso Parigi e consolidate nel 2018 con la ridefinizione dello SI in termini di “Costanti Fondamentali della Natura”, vera e propria rivoluzione copernicana perché svincola dalla costruzione di campioni fisici e rende possibile una riproducibilità assoluta in tutto il mondo e in completa autonomia.

Ha fatto seguito un rapido riepilogo dei concetti di base della Conferenza precedente su cos’è un valore di misura, su quanto deve essere grande un’unità di misura e sulla necessità di avere un ristretto numero di unità di misura dalle quali derivare tutte le innumerevoli grandezze fisiche necessarie alla scienza, alla tecnica, alla tecnologia industriale e alla vita quotidiana.

2. Fondamenti di un sistema d’unità coerente

Il risultato dell’accordo internazionale su questa necessità è consistito nell’individuazione di 7 grandezze definite “di base”. La dimensione di qualsiasi grandezza derivata è esprimibile attraverso un’espressione monomia costituita dal prodotto delle dimensioni delle 7 grandezze di base, ciascuna elevata ad un esponente razionale relativo, espresso con lettere greche e variabile fra 0 ed n, come dettagliato nelle due slides seguenti:

La coerenza metrica implica anche che non ci siano unità di misura diverse per la medesima grandezza: ad es. la potenza non deve potere essere espressa con unità quali da un lato il watt e dall’altro il “cavallo vapore” CV che indica la potenza necessaria per sollevare un peso di 75 kgf di 1 metro in 1 secondo ed equivale a circa 735 watt

3. Lo SI «vecchio» (fino al 2019-05-19)

Le proprietà delle unità di misura relative alle 7 grandezze di base dello SI “vecchio” sono state esaurientemente illustrate insieme con le loro definizioni riportate nelle slides seguenti:

Lunghezza (L)

Massa (M)

Tempo (T)

Intensità della corrente elettrica (I)

Temperatura termodinamica ( )

Quantità di sostanza (N)

Intensità luminosa (J)

4. Problemi dello SI «vecchio»

Insieme ai numerosi vantaggi ottenuti con la razionalizzazione delle Unità di Misura ottenuta attraverso lo SI approvato nel 1960 dall’11a CGPM perduravano tuttavia diversi problemi, fra cui i tre riportati a titolo di esempio nelle due seguenti slides:

Nota 2: Attualmente il kilogrammo è l’unica unità di misura ancora associata a un oggetto concreto, ma si stanno considerando varie possibilità per darne una definizione associata a una o più costanti fondamentali, quella di Planck h o quella di Avogadro NA

5. Il «nuovo» SI (dal 2019-05-20)

Il fisico Max Planck, precursore della Meccanica Quantistica, avanzò nel 1900 la proposta di definire le unità di lunghezza, massa, tempo e temperatura in modo da essere indipendenti da oggetti concreti e che mantenessero il loro significato e valore in qualunque luogo, terrestre, umano o di altro tipo, come precisato dalla slide seguente:

Lo scienziato propose di utilizzare come costanti fondamentali le tre seguenti:

• Velocità della luce nel vuoto: c = 299792458 m/s-1 (valore convenzionale)
• Costante gravitazionale: G = 6,67384 10-11 m3 kg-1 s-2 (incertezza relativa 1,2 10-4)
• Costante di Planck: h = 6,62607015 10-34 J s (valore convenzionale)

Fu possibile ottenere questo solo dopo molto tempo e sforzi congiunti di svariati scienziati che sfociarono nella già ricordata 26a CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures) del 2018.

6. Nuovi orizzonti dello SI

L’obiettivo prima illustrato di svincolare le unità di misura da oggetti concreti e consentirne la riproducibilità completa agganciandole a “costanti di natura” presenta già la difficoltà di individuare in modo ottimale tali costanti (chiamate di volta in volta generali, fondamentali, universali, etc.) e le relazioni matematiche fra di esse.

Questo obiettivo era stato preceduto nella prima metà dell’800 da un’osservazione del matematico Gauss, ripresa poi dallo scienziato Maxwell, che fecero notare come “I fenomeni attraverso cui si manifesta l’elettricità sono di tipo meccanico e devono quindi essere misurati attraverso standard meccanici”: basta ricordare che l’ampere si definisce in termini di grandezze meccaniche come la forza e la lunghezza.

Oltre alla difficoltà di conseguirlo concretamente, a causa della sua notevole complessità concettuale non è semplice neanche esprimerlo in modo comprensibile ai non specialisti di metrologia avanzata.

Vediamo a titolo di esempio come si può utilizzare la bilancia di Kibble che, mettendo in relazione alcune grandezze elettriche con la potenza meccanica (e chiamata per questo anche “del watt”) consente di realizzare misure molto precise di masse per mezzo di misure elettriche.

Per dare un’idea del procedimento utilizzato si può illustrare così il funzionamento della bilancia (vedere la slide seguente per la spiegazione dei simboli usati):
• La forza esercitata su una spira conduttrice collocata su un piatto della bilancia attraversata da una corrente elettrica è BLI
• Il peso della massa collocata sull’altro piatto della bilancia è mg
• Eguagliando le due espressioni si ha BLI=mg
• Per eliminare l’inconveniente di dovere misurare il prodotto BL con grande precisione si fa cadere la spira con velocità v nel campo magnetico B inducendo un voltaggio V=BLv e in questo modo si elimina il prodotto BL ottenendo: VI=mgv (sono due potenze, una elettrica e l’altra meccanica) per cui m=VI/gv col risultato di misurare la massa attraverso la misura di grandezze elettriche (V, I), cinematiche (v) e gravitazionali (il valore locale di g).

Nel caso illustrato si è fatto uso solamente della meccanica e dell’elettromagnetismo classici, ma se si vuole spingere la precisione delle misure a livelli estremi occorre tenere conto degli effetti quantistici (quelli relativistici non entrano in gioco a causa del valore molto basso della velocità) introducendo la costante h di Planck e sfruttando due effetti quantistici: l’effetto Josephson e l’effetto Hall.
Senza entrare in dettagli tecnici di carattere specialistico si può sintetizzare il risultato dicendo che, m= A f1f2h/gv, formula che evidenzia il collegamento fra m ed h (vedi in fondo alla slide seguente).

È possibile a questo punto chiarire cosa c’entra Avogadro con il kilogrammo: deriva dal fatto che fra la costante di Avogadro e la costante di Planck c’è una semplice relazione (vedi slide seguente):
il prodotto hNA (costante molare di Planck) è noto con un’incertezza relativa pari a 4,5 x 10-10 per cui conoscendone una con elevata precisione si conosce anche l’altra con equivalente precisione.

7. Conseguenze e conclusioni

Nella slide seguente c’è la sintesi del nuovo SI approvato nella 26a CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures) tenuta a Versailles il 2018-11-16 con l’elenco delle 7 costanti assunte come base insieme con i loro valori, convenzionalmente definiti allo scopo di evitare che miglioramenti della precisione nella loro misurazione portino a variazioni delle unità di misura che si basano su di loro.

NOTA 3: Per chiarire quest’ultimo punto è opportuno precisare che, ad es. per la relazione fra c e metro, nel 1983 quest’ultimo fu definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in una frazione di secondo pari a 1/299 792 458, mentre il secondo è definito come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio 133 (a riposo a una temperatura di 0 K). Si potrebbe pensare erroneamente che ciò equivale a fissare c, ma quello che si stabilisce in realtà è la definizione di metro, che è arbitraria, non di c (che è quella che è, quindi solo misurabile, non definibile arbitrariamente).
In altri termini, definito il secondo mediante una caratteristica del cesio, se ne è presa la frazione che alla luce delle misurazioni attuali è la più prossima al tempo che realmente impiega la luce per percorrere la distanza battezzata metro ottenendo un’incertezza relativa minore di 10-9.
A titolo di esempio, l’incertezza delle repliche del metro originario di Sévres era 10-4 in quanto la precisione delle linee tracciate sulle barre di platino-iridio lunghe 1 m era di 0,1 mm (0,1/1000=10-4)

Per le conseguenze positive della ridefinizione dello SI si veda la slide seguente

Ma resta ancora parecchio da fare, soprattutto per le unità di massa e di tempo:

I problemi da risolvere nel prossimo futuro per queste due fondamentali unità di misura sono dettagliati nelle due slides sottostanti

In conclusione, il nuovo SI ha costituito un notevole passo avanti per i progressi fatti nel correlare le unità di misura con le “costanti di natura” evitando nel contempo che questo possa causare ripercussioni negative nel loro utilizzo e giustificando in questo senso l’affermazione che “Cambia tutto” (nell’approccio alla definizione delle unità di misura) “perché non cambi nulla” (nel loro utilizzo quotidiano) come evidenziato dalla slide sottostante.

Al termine della conferenza, dopo i ringraziamenti al Relatore per la panoramica bella e di alto livello da lui fatta sullo stato attuale della Metrologia, il Presidente CDT Errichiello sintetizza l’argomento della giornata esprimendo il suo pensiero con parole semplici ma di grande significato: tutte le grandezze fisiche oggi esistenti e le relative unità di misura, fanno pensare di appartenere tutte ad una grande famiglia “dai rapporti di parentela” molto stretti, riconducibili ad una base comune che é Madre Natura nella quale siamo tutti immersi e di cui abbiamo scoperto molto, ma non ancora tutto.

Sono seguite svariate domande da parte dei soci presenti alle quali l’Ing. Balsamo ha risposto con approfondimenti sulle questioni sollevate

Durante il consueto buffet di networking, servito nella medesima Sala Piramide del Centro Congressi UI-TO, è proseguito fra i Soci lo scambio di idee sui temi trattati nella conferenza

A cura di Giovanni Zurlo – Consigliere CDT e Membro del Team T-S