Gli scienziati stanno reinventando i modi in cui possiamo impostare unità di misura standard, basandosi su matematica, costanti misurabili piuttosto che oggetti di riferimento fisici. WIN-Iniziativa/Neleman/Getty Images Se hai familiarità con le basi della conversione delle metriche, sai che 2,2 libbre equivalgono a 1 chilogrammo. Ma quanto pesa un chilogrammo, Esattamente? Come si definisce un concetto astratto come un'unità di misura? Dal 1875, il peso esatto di un chilogrammo è stato definito dall'International Prototype of the Kilogram, un cilindro realizzato con una lega composta al 90% di platino, 10 percento di iridio, e siede rinchiuso in un caveau regolamentato dall'ambiente fuori Parigi. Ogni 40 anni, è stato rimosso e confrontato con una mezza dozzina di copie in tutto il mondo, che a loro volta vengono utilizzati come modelli per repliche di pesi in tutto il mondo.
Quel sistema era OK alla fine del 19° secolo. Ma oggi, con misurazioni super precise necessarie per la produzione farmaceutica, chimica, astrofisica e altre attività, non funziona più così bene. Aggiungete a questo un altro problema:dopo quasi un secolo e mezzo, è ingrassato, grazie molto probabilmente a contaminanti che si sono gradualmente accumulati sulla sua superficie.
Il lavoro del fisico tedesco Max Planck (1858-1947) ha aiutato gli scienziati a definire e comprendere l'universo per decenni. Collezione Hulton Deutsch/Corbis/Getty Images Ecco perché il Comitato Internazionale Pesi e Misure, l'organo di governo che controlla cosa significa pesare un chilogrammo, è interessato a passare da uno standard fisico a uno basato su uno standard fondamentale in natura, qualcosa che gli scienziati possono replicare nei laboratori di tutto il pianeta.
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) del governo degli Stati Uniti affermano di aver fatto una svolta che potrebbe risolvere il problema. Utilizzando una nuova macchina chiamata NIST-4, hanno determinato un valore più preciso per la costante di Planck, un numero davvero minuscolo (e una quantità fisica fondamentale) utilizzato nella fisica quantistica per calcolare la quantità di energia trasmessa da un singolo fotone.
La costante di Planck può essere utilizzata anche per definire il chilogrammo, perché anch'essa è una costante fondamentale, qualcosa che non cambia nel nostro universo, e gli scienziati possono condurre esperimenti per determinare di cosa si tratta. "Possiamo riparare l'unità e chiedere alla natura, 'Qual è il valore numerico della costante fondamentale usando queste unità?'", ha detto il fisico del NIST Stephan Schlamminger in una e-mail. "Oppure, possiamo fissare il valore numerico e utilizzare l'esperimento per determinare la dimensione dell'unità."
Per calcolare più precisamente la costante di Planck, I ricercatori del NIST hanno impiegato un dispositivo chiamato bilancia Kibble, chiamato per il fisico britannico che ha inventato la tecnica. Il dispositivo "confronta la potenza elettrica con la potenza meccanica, " ha detto Schlamminger. "La potenza è misurata in unità di watt. La potenza meccanica è data dalla forza per la velocità. Nella bilancia la forza è il peso di uno standard di massa. La potenza elettrica può essere misurata come prodotto di due frequenze e la costante di Planck. Questi hanno a che fare con due effetti della meccanica quantistica che vengono utilizzati per misurare la tensione e la resistenza. Quindi, l'unità di massa può essere collegata alla costante di Planck."
Ecco un video in cui il fisico del NIST Darine Haddad usa una tazza di caffè e zollette di zucchero per spiegare il significato della costante di Planck:
Nel 2016, Gli scienziati del NIST hanno pubblicato una misurazione della costante di Planck con un'incertezza di appena 34 parti per miliardo, che è, bene, abbastanza dannatamente preciso. Ma hanno continuato a sperimentare, e ora che hanno diversi anni di dati su cui lavorare, hanno affinato ulteriormente il piccolo numero. La nuova misurazione NIST imposta la costante di Planck a 6,626069934 x 10−34 kg∙m2/s, con un'incertezza di sole 13 parti per miliardo.
I ricercatori del NIST sono uno dei numerosi team scientifici in paesi che vanno dal Canada alla Corea del Sud che stanno facendo a gara per trovare il valore più preciso per la costante di Planck. Alcuni stanno anche eseguendo esperimenti con la bilancia Kibble, mentre altri usano il metodo della densità dei cristalli a raggi X, in cui deducono il numero di atomi di silicio in una sfera di silicio estremamente rotonda, ha detto Schlamminger.
Il fisico del NIST ha notato che potrebbe essere possibile ridurre il grado di incertezza nella loro misurazione della costante di Planck anche oltre il valore pubblicato, fino a 11 parti per miliardo. Ma sperano che il numero pubblicato sia sufficiente per ridefinire il chilogrammo, Egli ha detto.
Ora è interessanteMax Planck, il fisico tedesco premio Nobel che ideò la costante di Planck nel 1900, ebbe un figlio Erwin che fu coinvolto nel fallito tentativo di assassinare Adolf Hitler nel 1944. Erwin fu giustiziato nel 1945, nonostante una lettera che suo padre scrisse al dittatore nazista per supplicare per la sua vita.
