Dossier

A Torino la misura è di casa

Intervista a Andrew Wallard, direttore del BIPM

Wallard Andrew Andrew Wallard è direttore del Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) di Sèvres, il polo di riferimento mondiale nel campo della metrologia.

Professor Wallard, vari articoli apparsi di recente sulla stampa internazionale e nazionale (rif. «Il Sole 24 ore» del 20 settembre 2007) hanno denunciato la presenza di alterazioni nel campione internazionale della massa. Di cosa si tratta?

Nulla di grave. Per definizione l’unità di massa, il kilogrammo, è la massa di un oggetto materiale noto come «prototipo internazionale». Di conseguenza, per conoscere la massa in kilogrammi di qualunque altro oggetto, occorre compararlo al prototipo internazionale. Salvo casi eccezionali, questi confronti sono indiretti e si basano su una catena di campioni realizzati a partire dal prototipo internazionale. Per garantire la massima accuratezza lungo la catena, le comparazioni iniziali con il prototipo internazionale sono fatte con speciali bilance note come «comparatori». Questi raffronti al vertice della catena vengono compiuti di rado: gli ultimi sono stati condotti tra il 1988 e il 1992. Il risultato di tale campagna comparativa ha confermato una tendenza generale che era già stata scoperta dal BIPM negli anni Cinquanta: le copie conservate assieme al prototipo internazionale stanno acquistando un po’ di massa rispetto al prototipo. Va detto che il comparatore può solo misurare le differenze di massa, pertanto potrebbe anche darsi che in realtà sia il prototipo internazionale a perdere massa rispetto alla maggioranza delle copie. Qualunque sia la ragione, l’anomalia è da tempo nota. E, comunque, l’effetto è così piccolo che gli organismi internazionali sono tutti concordi nel ritenere che non abbia importanza pratica.

Perché la “questione del kilogrammo”, vecchia di anni, è tornata alla ribalta sui media proprio adesso?

Chi ha buona memoria ricorderà che questa storia è apparsa già diverse volte sulla stampa popolare. La prima tornata di articoli è comparsa sui media internazionali nel 1990 e poi ancora nel 2003. Ma occorrerebbe distinguere tra le storie apparse sulla stampa generalista, che sono interessanti ma per loro natura incomplete, e gli articoli approfonditi pubblicati sulle riviste scientifiche internazionali. Questi ultimi hanno per obiettivo la diffusione dei risultati della ricerca tra la più vasta comunità scientifica. Il primo degli articoli scientifici fu scritto nel 1991 dall’allora direttore del BIPM. Un resoconto completo delle misurazioni condotte tra il 1988 e il 1992 fu poi pubblicato nel 1993, ma ancora oggi lo staff del BIPM pubblica periodicamente testi specialistici su questo argomento. Già nell’articolo del 1991 il direttore del BIPM invitava gli esperti in metrologia a trovare un modo per definire la massa del prototipo internazionale rapportandola a una costante fondamentale della fisica. Questa sarebbe l’unica via sicura per rispondere al quesito: è il prototipo internazionale che sta diventando più leggero o sono le copie che stanno diventando più pesanti? O, ancora, quale di questi manufatti ha una massa stabile rispetto alle costanti fondamentali? L’invito al cambiamento della definizione fu ripetuto in modo più formale nel 1995 attraverso una risoluzione della CGPM. A partire da quella data una seconda ragione ha indotto la comunità scientifica internazionale a condividere gli sforzi per la ridefinizione: il kilogrammo è l’ultima unità di misura definita sulla base di un manufatto anziché in rapporto a una costante fondamentale della natura (es. costante di Planck, costante di Avogadro…). La ridefinizione del kilogrammo sarà dunque accolta solo se potrà essere correlata a una di tali costanti in modo sufficientemente accurato. I relativi esperimenti sono molto importanti, ma anche difficili. Il BIPM li supporta da tempo. Un approccio promettente mira a mettere in relazione il kilogrammo e la costante di Avogadro. È uno studio complesso, ma un importante passo avanti è stato raggiunto di recente. Uno dei centri che fa parte della rete internazionale attivata per risolvere il problema, comprensibilmente fiero dei risultati raggiunti, a giugno 2007 ha diramato un comunicato stampa che ha ridestato l’interesse generale.

kilogrammo campioneMa perché il prototipo internazionale e le sue copie differiscono in massa? Ci sarà una spiegazione…

Stiamo parlando di variazioni di circa 0,5 microgrammi all’anno. Un effetto così piccolo va quindi studiato in un arco di tempo di alcuni anni. Ciò per cui ci si dovrebbe stupire, in realtà, non è che dei manufatti siano imperfetti, ma piuttosto che finora abbiano fatto il loro lavoro così bene. ll fatto che questo comportamento non abbia conseguenze pratiche spiega anche il motivo per cui non è stato studiato in modo approfondito. In ogni caso, i metrologi hanno avanzato alcune ipotesi. Il prototipo internazionale e le sue copie sono composti al 90% di platino (il restante 10% è iridio): questo elemento è noto per la sua capacità di catalizzare le reazioni chimiche; forse qualche modello teorico potrebbe spiegare le variazioni di peso osservate. In più, uno studio ha dimostrato che il mercurio presente nell’atmosfera tende a legarsi alle superfici di platino. Il fatto che le “copie ufficiali” siano conservate da sempre assieme al prototipo internazionale (nello stesso luogo e alle stesse condizioni) consente di dire che l’ambiente circostante non è determinante. L’unica spiegazione possibile va correlata al tempo necessario per produrre una variazione di 50 microgrammi. Per verificare l’ipotesi che l’effetto sia dovuto al modo in cui puliamo il prototipo e le sue copie, o al numero di volte che sono utilizzati nel comparatore, o in qualsiasi altra operazione, occorre stabilire se i dati ottenuti davvero combaciano con il tempo (50 microgrammi in 100 anni). L’alternativa è che la variazione sia connessa al numero di volte in cui è condotta una data operazione. Ora, mentre non possiamo controllare il trascorrere del tempo, possiamo scegliere un numero di operazioni che possiamo compiere su un particolare artefatto. Questi test confermano che il parametro fondamentale è il tempo e non il numero di volte in cui è condotta una data operazione. Comunque sia, il BIPM sta convogliando i propri sforzi soprattutto a sostegno degli esperimenti che porteranno a una ridefinizione del kilogrammo.

A parte la ridefinizione del kilogrammo, che ruolo ha oggi la metrologia?

Il successo economico delle nazioni dipende dalla nostra abilità di produrre e commerciare prodotti e servizi misurati in modo preciso. Per prosperare nel mercato globale ogni Paese deve migliorare la competitività internazionale della propria industria manifatturiera. Questo richiede più della semplice produzione dei migliori prodotti ai prezzi più bassi: il cliente potenziale ha anche bisogno di essere persuaso della qualità del prodotto, che deve essere documentata da rapporti di prova e dichiarazioni di conformità. Per ottenere tutto ciò è necessario un miglioramento continuo della tecnologia e delle conoscenze. In media l’accuratezza richiesta rispetto ai campioni di misura nazionali raddoppia ogni 10 anni. La metrologia è centrale per produttori, fornitori e clienti di merci e servizi: ciascuna categoria deve avere fiducia nell’accuratezza e affidabilità delle misure fatte a ogni livello.

A380Può fare qualche esempio?

Certo. Per costruire l’airbus europeo «A380», distribuendo la produzione delle varie componenti tra Regno Unito, Spagna, Germania e Francia (per poi assemblarle in Francia), è stato necessario compiere misurazioni di posizione su un’estensione di 50 metri raggiungendo lo sbalorditivo traguardo di un’accuratezza di circa 50 micrometri. Più in generale, la collaborazione commerciale internazionale e la qualità dei prodotti sarebbero impossibili senza precise misurazioni convalidate tra i vari laboratori e istituti metrologici nazionali. La scienza della misura ha poi profonde implicazioni in altri campi. I sistemi di navigazione satellitare e la coordinazione internazionale del tempo, ad esempio, rendono possibili localizzazioni accurate e, attraverso una rete globale di calcolatori, fanno sì che gli aerei atterrino anche in condizioni di scarsa visibilità. I nuovo consorzio «Galileo» si sta impegnando per assicurare che il “tempo Galileo” sia perfettamente sovrapponibile al Tempo Universale Coordinato (UTC) prodotto dal BIPM sulla base di più di 300 orologi atomici in 41 Stati. E, ancora, le norme sulla qualità ISO/IEC 17025 impongono che tutti gli strumenti di misura usati per la produzione o i servizi siano “tarati”, cioè sottoposti a confronto con campioni o materiali di riferimento di valore noto.

Quali sono i settori di maggiore sviluppo per l’immediato futuro?

Anzitutto la tutela della salute umana e dell’ambiente. Il mantenimento della salute dell’uomo dipende in modo critico dall’abilità di fare diagnosi accurate e di procedere a terapie precise per le quali sono necessarie misure affidabili. Un caso limite, ma molto emblematico per l’accuratezza richiesta alle misure, sono i controlli antidoping, che si basano sul rilevamento di tracce piccolissime di sostanze dopanti: queste misure, purtroppo, non hanno ancora standard di riferimento internazionali. Per questo i risultati dei test vengono spesso contestati. D’altronde possono distruggere la carriera di un atleta, causandogli danni economici e d’immagine irreparabili. L’abilità di fare misure accurate, riferibili a campioni fondamentali è altrettanto essenziale nel controllo della qualità dell’aria e delle variazioni nell’ambiente, come il riscaldamento globale e il cambiamento climatico. In questi ambiti la metrologia fornisce le indicazioni per prendere decisioni che avranno conseguenze su tutti noi. Certamente nel futuro della metrologia continueranno ad avere un ruolo importante le esigenze di aree tradizionali come fisica e ingegneria, ma la domanda più pressante verrà dalla chimica, dove c’è bisogno urgente di misure attendibili e precise. La metrologia ha fatto da propellente per l’evoluzione del mondo moderno: oggi continua a eccitare l’immaginazione e ad aiutare la società.

(hanno collaborato alla traduzione Giovanna Soro e Andrea Autelli)

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