Sempre alla ricerca di modi migliori per misurare tutti i tipi di cose, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno pubblicato uno studio dettagliato che suggerisce una definizione migliorata "elegante" per l'unità standard di potenza luminosa, il watt ottico.

Ma è più di una semplice opportunità per fare il nerd su un'unità di misura internazionale. La definizione proposta promette una più precisa, metodo meno costoso e più portatile per misurare questa quantità importante per la scienza, tecnologia, produzione, commercio e difesa nazionale.

Invece dell'attuale definizione basata sui confronti con il riscaldamento elettrico, lo studio del NIST suggerisce che il watt ottico potrebbe essere determinato dalla forza di radiazione della luce e dalla sua velocità, una costante fondamentale. Le costanti fondamentali sono i numeri che rimangono gli stessi in tutto il mondo, effettuare misurazioni basate su di esse universali. Gli standard primari che definiscono unità di misura basate su costanti fondamentali sono considerati ideali.

"Johannes Kepler fece le prime osservazioni sulla pressione delle radiazioni all'inizio del XVII secolo, " Il leader del progetto NIST John Lehman ha detto. "Alcuni anni fa, abbiamo deciso di creare uno standard di misurazione primario su questa base." Forse un giorno ridefiniremo tutti la potenza ottica in questo modo."

La definizione proposta si basa sul lavoro di James Clerk Maxwell nel 1862 che mostra che la forza esercitata dalla luce è proporzionale alla sua potenza divisa per la velocità della luce. Ora, standard di misurazione pratici possono essere creati su questa base grazie ai recenti progressi tecnici del NIST.

La proposta del NIST è in sintonia con la recente ridefinizione dei Sistemi Internazionali di Unità (SI), offrendo misurazioni più affidabili basate su proprietà immutabili della natura. Il watt è l'unità SI di potenza, quale, come ha scoperto Maxwell, può essere utilizzato per calcolare la forza, o vice versa. Il suggerimento del NIST potrebbe anche aiutare a risolvere i dibattiti sul modo migliore per definire una quantità ottica correlata nota come intensità luminosa. Questa quantità è espressa in termini di unità di base SI nota come candela, che dipende in parte dalle proprietà della visione umana.

Il nuovo studio è stato condotto nel contesto dei servizi di misurazione e calibrazione della potenza laser del NIST, offerto per la prima volta nel 1974. Negli ultimi anni i ricercatori del NIST hanno ampliato la gamma di potenza luminosa che può essere misurata, da un'intensità luminosa molto bassa di pochi fotoni (particelle di luce) al secondo a laser da 100 kilowatt che emettono 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 fotoni al secondo.

Per misurare la potenza ottica in modo convenzionale, i ricercatori puntano un laser su un rivelatore rivestito, misurare la variazione di temperatura del rivelatore, e quindi determinare la potenza elettrica necessaria per generare una quantità equivalente di calore. Come richiesto per gli standard di misurazione, questo metodo può essere ricondotto al SI, ma indirettamente attraverso il volt e l'ohm, che a loro volta sono "unità derivate" basate su equazioni nist che utilizzano più unità SI. L'attrezzatura del NIST per misurare il watt ottico in questo modo è grande e non portatile.

Nell'approccio più recente, la potenza del laser può essere misurata confrontandola con la forza di gravità su una massa di riferimento (tipicamente pesata su una "bilancia analitica" o bilancia) o una forza equivalente. Il NIST ha recentemente sviluppato una tecnica che misura la forza di un laser, o la spinta esercitata su uno specchio da un flusso di fotoni. Il risultato, misurato in milligrammi (massa) o micronewton (forza), è riconducibile all'unità base SI il chilogrammo e può essere utilizzato per calcolare la potenza ottica. L'approccio è particolarmente utile per i laser ad alta potenza utilizzati nella produzione e nell'esercito perché è più semplice, Più veloce, meno costoso e più portatile rispetto ai metodi convenzionali.

Il nuovo studio NIST ha stabilito la validità dell'approccio massa/forza trovando un forte accordo tra i suoi risultati e quelli del metodo convenzionale. Ma la proposta del NIST offre anche diversi vantaggi significativi:uno standard primario portatile sotto forma di massa di riferimento, e il potenziale per una maggiore precisione.

I calcoli della massa richiedono la conoscenza dell'esatta quantità di accelerazione della gravità degli oggetti a una particolare altitudine e posizione. I calcoli di forza no, rendendolo più semplice come standard primario.

La nuova definizione potrebbe essere:

• Un watt di potenza ottica è quello che, sulla normale riflessione da uno specchio perfetto, produce una forza la cui grandezza (in newton) è pari a 2 diviso la velocità della luce; o
• Un newton di forza è quello che si produce quando una potenza ottica (in watt) di grandezza pari alla velocità della luce divisa per 2 si riflette normalmente da uno specchio perfettamente riflettente.

Il team del NIST prevede di presentare i suoi risultati fino ad oggi e la proposta in una prossima conferenza e continuare la linea di ricerca.

"Stiamo portando avanti la ricerca per consentire all'approccio della pressione di radiazione di effettuare la misurazione della potenza laser più accurata al mondo, "Ha detto il fisico del NIST Paul Williams.