Il chilogrammo non è più un oggetto: la ridefinizione del 2019

Per 130 anni il chilogrammo è stato un oggetto: un cilindro di platino e iridio grande quanto una pallina da golf, custodito sotto tre campane di vetro in un caveau di Sèvres, alle porte di Parigi. Si chiamava Le Grand K ed era, letteralmente, la massa di riferimento per il mondo intero. Dal 20 maggio 2019 quel cilindro non conta più: il chilogrammo è stato ridefinito a partire da una costante fondamentale della fisica, la costante di Planck. È stata la più grande rivoluzione del Sistema Internazionale di unità di misura dalla sua nascita.

Il problema di un campione che dimagriva

Il Prototipo Internazionale del Chilogrammo (IPK) fu fabbricato nel 1889 e da allora era conservato dal Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Da quel cilindro vennero ricavate decine di copie ufficiali, distribuite agli istituti metrologici nazionali. Il guaio è che, nei controlli effettuati a distanza di decenni, l'IPK e le sue copie risultavano leggermente diversi: una divergenza dell'ordine di 50 microgrammi in un secolo, pari più o meno al peso di un granello di sabbia.

Sembra poco, ma per un campione che doveva essere identico a sé stesso per definizione era un paradosso intollerabile. Se l'IPK perdeva massa, per definizione perdevano massa anche tutti gli altri chilogrammi del mondo, perché era lui il riferimento. La comunità scientifica cercava da tempo una definizione che non dipendesse da un manufatto deperibile, esposto a contaminazioni, graffi e pulizie.

La svolta del 2018: il voto di Versailles

Il 16 novembre 2018, riunita a Versailles, la Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure approvò all'unanimità la ridefinizione di quattro unità di base: chilogrammo, ampere, kelvin e mole. Il nuovo Sistema Internazionale entrò in vigore il 20 maggio 2019, data scelta non a caso: è la Giornata Mondiale della Metrologia, anniversario della Convenzione del Metro del 1875.

Da quel momento il chilogrammo è definito fissando per sempre il valore numerico della costante di Planck a h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ joule per secondo. In altre parole, non è più la massa a definire la costante, ma la costante (insieme alle definizioni del metro e del secondo) a definire la massa. Come spiega il NIST, l'istituto di metrologia statunitense, qualunque laboratorio attrezzato può ora "realizzare" il chilogrammo da solo, senza più dover confrontare i propri pesi con un oggetto a Parigi.

Come si pesa una costante: la bilancia di Kibble

Lo strumento che rende possibile tutto questo è la bilancia di Kibble, ideata nel 1975 dal fisico britannico Bryan Kibble del National Physical Laboratory e ribattezzata in suo onore dopo la sua morte nel 2016 (in precedenza si chiamava "bilancia del watt"). Il principio è raffinato: una bobina percorsa da corrente in un campo magnetico genera una forza che bilancia esattamente il peso di una massa. Misurando con altissima precisione corrente, tensione e velocità — grandezze elettriche legate a effetti quantistici come l'effetto Josephson e l'effetto Hall quantistico — si ricava la massa in funzione della costante di Planck.

Un secondo metodo, indipendente ma convergente, è quello del progetto Avogadro: una sfera di silicio-28 isotopicamente puro, levigata fino a essere uno degli oggetti più sferici mai costruiti dall'uomo. Misurandone volume e distanza tra gli atomi del reticolo cristallino, gli scienziati hanno letteralmente contato quanti atomi contiene, ricavando la massa con precisione estrema. Il fatto che due strade così diverse portassero allo stesso risultato è stata la prova decisiva per procedere alla ridefinizione.

Non solo il chilogrammo: una riforma di quattro unità

La ridefinizione del 2019 non ha riguardato soltanto la massa. Nello stesso pacchetto sono state ancorate a costanti fondamentali anche altre tre unità di base: l'ampere (corrente elettrica) è ora legato alla carica elementare dell'elettrone, il kelvin (temperatura) alla costante di Boltzmann e la mole (quantità di sostanza) alla costante di Avogadro. Con questa mossa l'intero Sistema Internazionale si è poggiato su un insieme coerente di sette costanti della natura. Il metro era già stato "smaterializzato" nel 1983, quando venne definito a partire dalla velocità della luce, e il secondo dal 1967 dipende dalle oscillazioni dell'atomo di cesio: il chilogrammo era rimasto l'ultimo legame con un oggetto fisico.

Per la vita di tutti i giorni nulla è cambiato in modo percettibile: un chilo di pane resta un chilo di pane, e le bilance del supermercato funzionano esattamente come prima. La rivoluzione è invisibile ma profonda, e riguarda la catena di precisione che parte dai laboratori di metrologia e arriva fino all'industria farmaceutica, all'elettronica e alla ricerca, dove anche una minima incertezza sulla massa può fare la differenza.

Un'unità di misura che dura quanto le leggi della fisica

Il vantaggio è enorme: una definizione basata su una costante della natura è valida ovunque e per sempre, identica su un altro continente o su un altro pianeta, senza bisogno di trasportare campioni. Le Grand K non è stato distrutto e resta conservato al BIPM come reperto storico, ma ha perso ogni autorità. Per la prima volta dal 1889, nessun oggetto fisico definisce più quanto pesa un chilogrammo: lo decide la struttura quantistica dell'universo. È il punto d'arrivo di un'idea antica della scienza, quella di ancorare le misure non agli artefatti umani, sempre imperfetti, ma alle leggi immutabili della natura.