Arriva il nuovo chilogrammo: i falsomagri sperano in Planck

Quanto pesa un chilo? Sembra una domanda stupida, vero? Ma come si fa a dire che un chilo è un chilo? E il metro? E il secondo? Proviamo a immaginare che problema sarebbe se ad un certo punto si perdesse il riferimento di queste grandezze di uso comune.

La definizione del 1795 del chilogrammo è che esso corrisponde alla massa di un decimetro cubo di acqua distillata alla temperatura di 4 gradi centigradi. 

Che uno dice, perfetto, ho capito: prendo un contenitore da un litro, prendo dell'acqua, la distillo, la porto a 4 gradi, e quello è un chilo di massa. Che è diverso da un chilo di peso, sia ben chiaro, perché il peso dipende dall'accelerazione di gravità, che a sua volta dipende dall'altezza a cui ci si trova rispetto al livello del mare, e dalla distribuzione di materia attorno a dove si sta facendo la pesatura. Ad esempio, metti che non sai che nella stanza di fianco c'è Adinolfi, la direzione e il modulo del vettore campo gravitazionale ne saranno influenzati in modo incontrollato, tanto da indurti a credere di essere stato catapultato nel Triangolo delle Bermude. Noi invece stiamo parlando di Kg massa, ovvero massa inerziale, quella "m" che entra nella seconda legge della dinamica F=ma. Quella massa è sempre uguale e non dipende dal campo gravitazionale.

Ma Adinolfi a parte, il tutto sembra chiaro, no? Basta definire cosa si intende per chilo, e quello è il chilo campione. 

Col cavolo invece! E se l'acqua non la distilli proprio per bene? Se ci lasci un po' di residuo fisso? Se ti si è rotto il distillatore professionale e usi l'acqua per stirale della Conad? E poi come si definisce il decimetro cubo? Mica puoi usare il bicchiere graduato che usi in cucina! Ci vuole un righello preciso, e il righello come lo calibri? Devi avere un decimetro campione che sia affidabile e non cambi mai. Per non parlare poi del termometro. Come faccio a essere sicuro che quei 4 gradi Celsius siano esattamente 4?

Può sembrare una perversione da nerd, ma è invece una questione di fondamentale importanza per far si che un chilo, un metro, un grado Celsius, un Ampere etc, siano univocamente determinati ovunque e sempre, e che ognuno, ovunque nel mondo, possa quindi costruirsi il proprio chilo campione, metro campione etc.

A questo scopo esistono organismi dedicati a definire le unità campione, e a conservarle, come l'Ufficio Internazionale di Pesi e Misure di Sèvres, in Francia, che si occupa di definire e eventualmente, quando possibile, conservare il metro di riferimento, il chilo di riferimento etc.

Riguardo al chilogrammo campione, era chiaramente scomodo tenere come riferimento un decimetro cubo di acqua distillata a 4 gradi centigradi, visto questo vizio che ha l'acqua di evaporare, per cui si decise di trasformare il chilogrammo di riferimento in qualcosa di un po' meno mutabile di un litro di acqua, ma della stessa massa. E si costruì un cilindro di Platino-Iridio con la stessa massa di 1 dm cubo di acqua distillata a 4 gradi Celsius.

Questa lega (90% Platino, 10% Iridio) avrebbe fornito le massime garanzie in fatto di resistenza alla deformazione, all'ossidazione, e a tutte quelle cause che ne avrebbero potuto alterare la sua caratteristica principe, cioè di avere una massa costante di 1 Kg.

La conservazione del prototipo internazionale segue criteri maniacali: viene utilizzato un sotterraneo blindato, per la cui apertura occorre l'uso contemporaneo di tre diverse chiavi, custodite da tre personalità dell'ufficio in questione. L'apertura avviene previa autorizzazione del comitato stesso (fonte). Le condizioni di temperatura, pressione e umidità sono costanti e si evita il contatto con la polvere tenendo il prototipo sotto tre campane di vetro. Praticamente la Sindone gli fa un baffo al chilo campione.

Il prototipo è usato per le comparazioni. Altri campioni dell'unità di massa distribuiti in giro per il mondo differiscono dal capostipite per ±0,3 mg. Sei di tali campioni servono a ricostruire il prototipo internazionale nel malaugurato caso questo dovesse divenire inservibile. Come la Sindone, che se si rompe quella vera, c'è sempre quella fatta da Garlaschelli.

E' però notizia recente il fatto che si stia valutando una ri-definizione del chilogrammo campione, che manderà in pensione quella attuale.

Pare che infatti il chilogrammo campione attuale conservato a Sèvres sia molto scomodo da usare. Non solo perché sta in Francia e quelli in Nuova Zelanda si lamentano che è fuori mano, ma anche perché è così delicato che solo a toccarlo si sporca e si unge (soprattutto se si è appena mangiato un piatto di escargot nel bistrot che sta giù all'angolo) rischiando di alterare le sue inalterabili caratteristiche.  In pratica succede che, per praticità, tutti usano copie del chilogrammo campione, che però sono diverse fra loro, e per forza di cose meno accurate, senza nessun controllo specifico sulla loro affidabilità e stabilità nel tempo.

Il modo che si è quindi scelto per ridefinire il chilogrammo (e anche  altre unità di misura fondamentali) è tramite l'utilizzo di costanti fondamentali della natura, un metodo che garantisce una affidabilità e una riproducibilità molto maggiore di quella di un pezzo di metallo, per quanto realizzato con tutti i crismi.

Ad esempio per il chilogrammo si è scelto di definirlo tramite la costante di Planck, la velocità della luce, e la frequenza di una particolare transizione atomica del Cesio, che è misurata con grandissima precisione e non cambia mai, in quanto gli atomi di Cesio sono uguali ovunque nell'universo. Moltiplicando questa frequenza per la costante di Planck si ottiene un'energia, che diviso per la velocità della luce definisce una massa, da cui la definizione di chilogrammo. Il fatto che la natura abbia deciso di rendere la velocità della luce sempre la stessa, in qualunque sistema di riferimento la si misuri, pure aiuta. Lo stesso ragionamento si applica al metro, all'Ampere etc, come descritto in questo interessate documento del BIPM, il Bureau International des Poids et Measures. La ridefinizione ufficiale del metro sarà pronta nel 2018, dopo un'accurata determinazione della costante di Planck.

Tutto questo può sembrare una pignoleria da malati di mente incapaci di dare la giusta importanza alle cose. Sembra infatti assurdo dover usare la costante di Planck e la transizione del Cesio per sapere quanti sono tre etti di pasta. Certo, se dobbiamo pesarci la mattina, se la calibrazione della bilancia è stata fatta non col cilindro di platino-iridio ma con una copia in ferro battuto, è del tutto irrilevante, e d'altra parte l'incertezza risultante non sarà mai grande da creare problemi pratici. Non se ne accorgerebbero nemmeno i tossici, che sono tra i più sensibili alle frazioni di grammo, e nella sostanza si potrebbe pensare che sia un problema veramente inesistente. 

Sbagliato! Infatti se si perdesse il riferimento preciso di una unità di misura comune come il Kg, questo potrebbe essere effettivamente un problema per gli scienziati. Perché nella scienza è importante il confronto e la riproducibilità dei risultati. E questo implica avere il pieno controllo delle unità di misura in tutti i laboratori del mondo.

E se vi sembra un problema marginale, perché credete che tutto sommato sia un vezzo di nicchia, perché pensate che la società, il mondo reale, siano insensibili a questi dettagliucci per scienziati, vi sbagliate di brutto. Vi sbagliate perché se dovete valutare con precisione il drogaggio di un nuovo materiale che potrà essere usato nel chip del computer che servirà a far funzionare un aeroplano o la vostra nuova auto con guida automatica, oppure quanto deve essere il contenuto di un certo composto chimico in un farmaco salvavita, dovete essere precisi. Dovete quindi avere tutti gli strumenti per poter essere certi che il microgrammo che misurate voi sia proprio lo stesso microgrammo che viene citato nell'articolo scientifico che avete sotto gli occhi e che volete controllare e riprodurre nel vostro laboratorio. La precisione e la stabilità delle quantità fondamentali quali massa, lunghezza, corrente elettrica etc, è assolutamente necessaria per garantire la riproducibilità delle misure, l'ingrediente cardine della scienza. E questo ha quindi un impatto non solo sulla scienza, ma anche su tutti i suoi derivati, cioè la tecnologia, i farmaci, l'industria chimica, e quindi in buona sostanza sulla società, cioè tutti noi.

Comunque non è un caso che il nuovo chilogrammo venga fuori sotto Natale. E' il sogno di tanti, quello di vedersi dimagriti dopo le feste grazie alla nuova definizione di chilogrammo. E quando saliremo speranzosi sulla bilancia dopo il cotechino della staffa il nostro pensiero sarà tutto per Planck e la sua costante.

E infine, con i tempi che cambiano, gli esperti dell'ufficio pesi e misure si trovano a dover introdurre continuamente nuove unità di misura fondamentali, per fronteggiare le nuove tendenze della società in continua evoluzione.

Ad esempio il dramma di questi ultimi tempi è la diffusione delle notizie bufala, e come fare per etichettarle come tali. A questo scopo, per indicare il livello di inattendibilità di una notizia, sembra che il Bureau International des Poids et Measures stia convergendo verso il Belpietro. Nella pratica poi verranno chiaramente utilizzati i suoi sottomultipli, tipo il nanoBelpietro o il picoBelpietro, perché un Belpietro indica un livello di puttanata veramente esagerato, difficilmente raggiungibile nel mondo reale. Un po' come il Farad, la misura di capacità, di cui nella pratica si usano sempre solo i sottomultipli. Per lo stesso motivo, per indicare il livello di bufalaggine di una notizia, è stato scartato all'unanimità il Marcianò, che avrebbe obbligato all'utilizzo di sottomultipli assurdamente piccoli, di impossibile utilizzo pratico. Unici contrari gli omeopati.

PS: Questo articolo trae l'ispirazione da una chat con Alessandro G, che ringrazio.