A Sèvres, un piccolo comune alla periferia di Parigi, giace un pezzo di metallo lucente delle dimensioni di un palmo. Le Grand K, o Big K come chiamano la lega di platino e iridio, siede sottoterra in un caveau ad alta sicurezza. Si tiene sotto tre campane di vetro, e può essere recuperato solo utilizzando tre chiavi separate, ciascuno detenuto da individui diversi.

Contrariamente alle apparenze, manomissione e furto non sono la massima preoccupazione per coloro che custodiscono Big K. Invece, i custodi del manufatto hanno passato gli ultimi anni a preoccuparsi che la lega non fosse all'altezza della reputazione che ha avuto nel secolo scorso, che non ha più esattamente un chilogrammo di massa, ma microgrammi più leggeri.

Stare lontani più o meno del peso di un granello di sabbia potrebbe sembrare banale, ma Big K è il prototipo internazionale del chilogrammo. In altre parole, è il gold standard con cui vengono misurati tutti gli altri chilogrammi nel mondo. La più piccola discrepanza nell'accuratezza di Big K influisce su campi come la medicina, elettronica e ingegneria, settori in cui le misurazioni precise sono fondamentali. Ma un chilogrammo fluttuante ha anche effetti a catena su altri fenomeni, come la forza, energia e intensità luminosa, che lo utilizzano come elemento costitutivo per le misurazioni.

A causa delle conseguenze di vasta portata che detiene un Big K impreciso, gli scienziati stanno ora cercando uno standard più affidabile e stabile per il chilogrammo, uno che non sia incentrato su un singolo pezzo di metallo. Il loro obiettivo:ridefinire il chilogrammo utilizzando un nuovo standard fisico entro la fine del 2018.

"Stiamo per assistere a un cambiamento rivoluzionario nel modo in cui viene definito il chilogrammo, " ha detto il fisico Klaus von Klitzing parlando al CERN lo scorso ottobre. Von Klitzing, che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1985, è uno degli scienziati coinvolti nel rifacimento del chilogrammo.

La modifica, molti litigano, è atteso da tempo. Il chilogrammo è una delle sette unità di base che compongono il Sistema internazionale di unità (SI), il sistema di misurazione più utilizzato oggi al mondo. Originariamente sia il chilogrammo che il metro erano definiti da prototipi e il tempo era fissato dalla rotazione terrestre, tuttavia nel frattempo sempre più unità di base sono collegate a quantità fisiche della natura che rimangono le stesse indipendentemente dal tempo o dal luogo.

Un secondo, Per esempio, è definito come il tempo impiegato dall'atomo di cesio-133 per completare 9, 192, 631, 770 periodi di radiazione per una determinata transizione. Un metro era rappresentato da una barra di metallo immagazzinata accanto a Big K in Francia, ma ora è definita da quanto lontano viaggia la luce nel vuoto durante 1/299, 792, 458 di secondo.

Il chilogrammo rimane l'unica unità SI rappresentata da un artefatto instabile. Così nel 2014, membri della Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure, l'organismo internazionale che sovrintende al sistema SI, votato per ridefinire il chilogrammo in termini di costante di Planck, una costante fondamentale della meccanica quantistica.

La ridefinizione è un grosso problema, afferma John Pratt del National Institute of Standards and Technology (NIST), l'organismo responsabile della standardizzazione dei pesi e delle misure negli Stati Uniti. La nuova definizione significa che possiamo passare da "una definizione di massa del 19° secolo a una definizione di massa più del 21° o 22° secolo, " Ha detto Pratt. "Potremmo farlo basandoci su un'idea più che su un oggetto".

Quando il gold standard è instabile, come ha dimostrato Big K, è un "enorme disagio, " ha affermato Pratt. La perdita di peso non contabilizzata di Big K significa che i suoi cilindri gemelli, fusi da Big K e spediti in tutto il mondo per la calibrazione, non sono più identici al gold standard. Le copie del NIST, Per esempio, differiscono da Big K di circa 45 microgrammi, il peso di un ciglio. Che ha provocato il caos diversi anni fa, portando alla riemissione dei certificati del NIST per i suoi chilogrammi, e le aziende che producono pesi basati sugli standard del NIST devono produrne di nuovi.

Ridefinire il chilogrammo secondo la costante di Planck aiuterà a evitare del tutto tali problemi. Però, i fisici devono prima ottenere una misura sufficientemente buona della costante di Planck, il numero quanto-meccanico che mette in relazione come l'energia di una particella è correlata alla sua frequenza e, attraverso E=mc2, alla sua massa. Una volta che gli scienziati assegnano un valore fisso esatto alla costante di Planck, potranno ricavare una nuova definizione per il chilogrammo.

Attualmente sono in corso due tipi di esperimenti, entrambi cercano di misurare la costante di Planck con straordinaria precisione. Il primo è il Progetto Avogadro, guidato da un team internazionale di scienziati. Si tratta di contare il numero di atomi in due sfere di silicio che pesano ciascuna come Big K. Con questo numero - il numero preciso di atomi che compongono una particolare sostanza - i ricercatori possono calcolare la costante di Avogadro, convertirlo in un valore per la costante di Planck e quindi mettere in relazione il chilogrammo con la massa atomica.

Il secondo metodo utilizza un dispositivo chiamato watt, o crocchette, bilancia. È una sorta di scala che produce un valore per la costante di Planck misurando una massa di prova di un chilogrammo, calibrato con Big K, contro una forza elettromagnetica. La costante di Planck è proporzionale alla quantità di energia elettromagnetica richiesta per bilanciare la massa.

Per calcolare la corrente e la tensione che compongono la forza elettromagnetica, fisici del NIST, che stanno guidando il progetto, utilizzare due diverse costanti universali. Uno è la costante Josephson, mentre l'altra è la costante di von Klitzing. Fu la scoperta di quest'ultimo, parte dell'effetto Hall quantistico, che valse a von Klitzing il Premio Nobel per la Fisica nel 1985.

Cinque anni prima, von Klitzing, dell'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido in Germania, condusse esperimenti per osservare l'effetto dei campi magnetici applicati a semiconduttori che erano stati raffreddati a temperature estremamente basse. Scoprì che nei suoi esperimenti la resistenza elettrica aumentava gradualmente:una frazione intera di un numero specifico, 25, 812.807 ohm, che ora è chiamata costante di von Klitzing.

L'effetto Hall quantistico, come viene chiamato il fenomeno, è ora utilizzato globalmente per calibrare le resistenze elettriche. Gli scienziati possono utilizzare la costante di von Klitzing per misurare la corrente in un equilibrio di watt.

"Con l'aiuto di costanti fondamentali, abbiamo la possibilità di stabilire unità che conservano necessariamente il loro significato per tutte le culture, anche quelli ultraterreni e umani, " è stata una dichiarazione visionaria di Max Planck più di 100 anni fa e oggi abbiamo la possibilità di realizzare questa visione. L'effetto Quantum Hall ha innescato questa realizzazione.

Von Klitzing sarà a Singapore alla fine di questo mese per prendere parte all'annuale Global Young Scientists Summit. L'evento di cinque giorni, organizzato dalla National Research Foundation di Singapore, mira a facilitare le interazioni di brillante, giovani ricercatori internazionali con eminenti scienziati per discutere aree chiave della scienza e della ricerca, innovazione tecnologica e società, e soluzioni alle sfide globali.

Tra gli argomenti in discussione c'è il restyling del chilogrammo. A novembre, i membri della Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure si riuniranno a Versailles, Francia, votare la nuova definizione del chilogrammo, accanto a quello dell'ampere, kelvin e talpa. Se approvato, i valori aggiornati e fissi entreranno in vigore dal 20 maggio, 2019, nella giornata mondiale della metrologia.