Aprendo la strada alla trasformazione del sistema di misurazione mondiale, una task force internazionale ha determinato valori aggiornati per quattro costanti fondamentali della natura. I valori aggiornati costituiscono l'ultimo pezzo scientifico del puzzle per la ridefinizione del moderno sistema metrico, noto come Sistema Internazionale di Unità (SI). Se approvato da un organismo internazionale il prossimo anno, il SI rivisto consentirà di effettuare misurazioni autorevoli in qualsiasi parte del pianeta.

Gli aggiustamenti alle costanti sono piccoli e non influenzeranno la vita di tutti i giorni. Ma un SI rivisto basato completamente su valori accurati di queste costanti è alla base della scienza e del commercio e garantisce misurazioni uniformemente precise che scalano uniformemente da quasi infinitesime a enormi.

Sulla base di misurazioni all'avanguardia di scienziati di tutto il mondo, i valori aggiornati delle costanti sono stati preparati dal Task Group on Fundamental Constants (TGFC) del Committee on Data for Science and Technology (CODATA). Un documento contenente i nuovi valori è stato accettato per la pubblicazione sulla rivista metrologia .

Il 20 ottobre, il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure (CIPM) ha presentato alla Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM) una risoluzione che raccomanda la ridefinizione del SI, l'organismo ufficiale che apporta modifiche al SI. A novembre 2018, il CGPM voterà formalmente sull'adozione del sistema rivisto. Il CGPM include membri di dozzine di nazioni, compresi gli Stati Uniti e altri firmatari della Convenzione del contatore, il trattato del 1875 che standardizzò le unità di misura a livello internazionale.

Nel mondo delle misurazioni, un SI basato su costanti fondamentali determinerà uno spostamento. Fino ad ora, il CODATA TGFC aggiorna i valori delle costanti ogni quattro anni, più di recente nel 2014, e ha prodotto questo aggiornamento speciale per le quattro costanti quest'anno in previsione dell'aggiornamento SI.

"I valori di queste quattro costanti non cambieranno più, " ha detto Peter Mohr, uno scienziato presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) e membro del CODATA TGFC. I valori saranno fissati e indicati come valori esatti, Egli ha detto, così come la velocità della luce è attualmente definita come un valore esatto. Ciò a sua volta consentirà agli scienziati di concentrarsi su misurazioni che confrontano altre quantità importanti con le costanti.

Insieme alle costanti precedentemente accettate, i valori aggiornati ridefinirebbero le sette unità di base del SI, che includono il chilogrammo (l'unità di massa), il kelvin (l'unità di misura della temperatura), e l'ampere (l'unità di misura della corrente elettrica).

Dal 1889, il chilogrammo è stato definito da un cilindro di platino-iridio immagazzinato in Francia, noto come il prototipo internazionale del chilogrammo, o, "Le Grand K." Scienziati di tutto il mondo hanno dovuto recarsi in Francia e confrontare le copie del chilogrammo dei loro paesi con l'originale per stabilire misurazioni di massa accurate nelle loro nazioni.

Nel frattempo, la temperatura è stata definita in termini di "punto triplo" in una cella d'acqua di vetro sigillata. Il punto triplo è la temperatura alla quale l'acqua, ghiaccio e vapore acqueo esistono in equilibrio. Però, l'acqua in queste celle può contenere impurità chimiche che possono portare la temperatura del punto triplo a valori imprecisi. E le misurazioni di temperature superiori o inferiori al punto triplo dell'acqua sono intrinsecamente meno precise.

Le costanti aggiornate includono la costante di Boltzmann (che mette in relazione la temperatura con l'energia), e la costante di Planck (che può mettere in relazione la massa con l'energia elettromagnetica), la carica dell'elettrone e la costante di Avogadro (la quantità che definisce una mole di una sostanza).

"Non ci sono cambiamenti drammatici. La costante di Boltzmann è molto coerente con i valori precedenti, " disse Mohr. "Gli esperti di temperatura hanno richiesto otto cifre per la costante e l'ultima cifra era 0, " ha raccontato, una situazione divertente per i metrologi poiché possono ottenere la precisione di otto cifre significative solo dovendo usarne sette.

"Ci sono vari modi per determinare la temperatura, ma la nuova definizione sarà molto utile per misurare temperature molto calde e molto fredde lontano dal punto triplo dell'acqua, " ha detto David Newell del NIST, presidente del gruppo di lavoro CODATA.

La costante di Planck si è spostata verso il basso di 15 parti per miliardo rispetto al suo valore precedente, grazie ai nuovi dati raccolti dal 2014. La costante di Planck è stata determinata mediante due tecniche sperimentali, noto come equilibrio Kibble e metodo Avogadro. Tutte le misurazioni utilizzate per determinare il nuovo valore di Planck hanno soddisfatto le linee guida internazionali precedentemente concordate per i livelli di accuratezza e coerenza tra loro.

La costante di Planck può essere utilizzata per definire il chilogrammo, e l'uso di una costante fondamentale per definire la massa risolverà molti problemi, Newell ha detto. La massa deve essere misurata su una scala molto ampia, da un atomo a un farmaceutico a un grattacielo. "Alla fascia bassa, attualmente usi un tipo di fisica per determinare la massa; nella fascia alta, usi un altro tipo di fisica, " Egli ha detto.

Ma la costante di Planck fornirà un modo coerente per definire la massa su tutte queste scale, con qualsiasi metodo di laboratorio utilizzato per misurare la massa.

"Non importa quale metodo usi. Una costante è una costante, " disse Mohr.

Il sogno è usare la costante di Planck per la massa nello stesso modo in cui la luce viene utilizzata per misurare la distanza. Nel SI, la velocità della luce è già utilizzata per definire il metro, l'unità di lunghezza. "Usi la luce per misurare la distanza dalla Luna o la distanza tra gli atomi di silicio, " ha detto. Il passaggio a un SI rivisto è destinato a essere senza soluzione di continuità per quasi tutti nel mondo.

"Il tutto è orientato a non avere alcun impatto sulla persona media, " ha detto Mohr.

Ma un SI basato sulle nuove costanti dovrebbe cambiare il mondo della metrologia.

Le Grand K in Francia non definirà più esattamente un chilogrammo. Anziché, avrà probabilmente una massa leggermente inferiore o leggermente superiore a un chilogrammo, entro 10 parti per miliardo di incertezza.

Anche il volt cambierà, poiché la costante di Planck aiuterà anche a definirla nel SI rivisto. Un volt basato esclusivamente sulle costanti fondamentali sarà leggermente più piccolo, circa 100 parti per miliardo, rispetto all'attuale realizzazione scientifica del volt, fondata nel 1990. Quindi, i laboratori di metrologia di alto livello dovranno ricalibrare le loro misurazioni di tensione ad alta precisione.

"Le persone che effettuano misurazioni così precise noteranno il cambiamento, " ha detto Mohr.

Ecco perché il lancio ufficiale del SI rivisto è previsto per il 20 maggio, 2019, nella giornata mondiale della metrologia, per dare ai metrologi di fascia alta il tempo di adeguarsi ai nuovi valori.

"È un cambiamento di paradigma filosofico più ampio, " ha detto Mohr.

"Quando la velocità della luce divenne un numero fisso, i ricercatori hanno smesso di misurare la velocità della luce. Si sono concentrati sulla realizzazione del contatore. È lo stesso con la costante di Planck. Non misurerai più la costante di Planck. Starai realizzando gli standard di massa ed elettrici in modo più preciso."