Tempo, i fisici lavorano a una nuova definizione del minuto secondo

È tempo di cambiare il tempo. O, più precisamente, il secondo, nel senso di minuto secondo, l’unità di misura del tempo, una delle sette unità di base del Sistema internazionale. Niente di allarmante, si intende: un secondo continuerà sempre a durare un secondo, ma quello che sta per cambiare è la sua definizione. E la definizione delle unità di misura è una questione che, per quanto possa sembrare solo formale, ha in realtà profonde implicazioni e conseguenze, sia dal punto di vista teorico che applicativo. Per questo la comunità dei metrologi (la metrologia è la branca della scienza che, per l’appunto, si occupa della definizione delle unità di misura e degli standard dei processi di misurazione) è costantemente al lavoro per affinare le definizioni e renderle sempre più precise e coerenti.

Un po’ di storia

Per comprendere portata e motivi di questo cambiamento, è necessario anzitutto ripercorrere le tappe fondamentali della definizione delle grandezze fondamentali e delle unità di misura. A occuparsene sono la Conférence générale des poids et mesures (Cgpm) e il Bureau internazional des poits et mesures (Bipm), istituiti nel 1875 in seno alla cosiddetta Convenzione del metro. Nel corso della prima conferenza, che si tenne nel 1889, fu istituito il sistema Mks, che comprendeva le unità fondamentali di lunghezza (metro), peso (chilogrammo) e tempo (secondo). Dopo quasi mezzo secolo arrivò il primo aggiornamento: nel 1935, su proposta del fisico italiano Giovanni Giorgi, al sistema fu aggiunto l’ohm, unità di misura della resistenza elettrica; poi, nel 1946, l’ohm fu sostituito dall’ampere, unità di misura della corrente elettrica. Con la decima conferenza generale dei pesi e delle misure, svoltasi nel 1954, furono aggiunti il kelvin, per la misura della temperatura, e la candela, per la misura dell’intensità luminosa. Nel 1972, infine, la quattordicesima conferenza sancì l’aggiunta della mole, per la misura della quantità di sostanza, completando così le sette grandezze fisiche fondamentali e le corrispondenti unità di misura in uso ancora oggi. 

Fondamentali e derivate

Dalle grandezze fondamentali si ricavano, poi, le cosiddette grandezze derivate, ossia quelle che si possono esprimere come prodotto o rapporto di grandezze fondamentali. L’energia, per esempio, che nel Sistema internazionale si misura in joule, dimensionalmente equivalente al prodotto di chilogrammo per metro al quadrato diviso secondo al quadrato. Oppure la potenza, che si misura in watt ed equivale al rapporto tra joule e secondo. La resistenza, che originariamente era stata inclusa nelle grandezze fondamentali, è espressa oggi nel Sistema internazionale come rapporto tra il potenziale elettrico (a sua volta rapporto tra energia e corrente) e corrente elettrica.

Gli aggiornamenti del 2018: addio campioni

I grandi cambiamenti del 2018 sono legati alla necessità di rendere le definizioni sempre più precise e coerenti, svincolandole il più possibile dal confronto con campioni materiali. Lo aveva spiegato a Wired Marco Pisani, metrologo e ricercatore dell’Istituto nazionale di ricerca metrologica (Inrim): “In passato, il metro era definito come una frazione del meridiano terrestre, e poi è stato invece legato alla velocità della luce. E il chilogrammo era definito attraverso un campione conservato a Sèvres, al quale tutti gli enti metrologici nazionali dovevano fare riferimento per la realizzazione del proprio campione, e poi è stato legato al valore numerico della costante di Planck h, fissato a 6,626070040 × 10-34 joule per secondo”. Il motivo è facile da comprendere: rispetto alle costanti fondamentali, i campioni materiali sono meno precisi, più soggetti a incertezza e inclini a cambiare nel corso del tempo. Arriviamo così al secondo: “Storicamente – diceva ancora Pisani – “il secondo era definito come una frazione del giorno solare medio [1/86400, per la precisione]”. Tuttavia, poiché a causa di diversi fattori (interazione gravitazionale Terra-Luna, forza delle maree, fusione dei ghiacciai alle alte latitudini), il giorno solare medio si sta impercettibilmente allungando, la definizione dovette essere rivista: nel 1956 la Cgpm ridefinì il secondo in termini di rivoluzione terrestre intorno al Sole (“la frazione di 1/31556925,9747 dell’anno tropico per lo 0 gennaio 1900 alle ore 12 tempo effemeride”) e nel 1967, per l’ultima volta, in termini di oscillazione di un isotopo del cesio, un intervallo di tempo misurabile con estrema precisione dagli orologi atomici.

L’importanza del secondo

Perché il tempo, e la sua unità di misura, sono ritenuti così importanti nella metrologia? Il motivo è che tutte le unità di misura fondamentali (a eccezione della mole) sono subordinate al secondo: il metro, per esempio, è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299.792.458 di secondo. Stesso discorso per il chilogrammo, legato, come dicevamo poc’anzi, alla costante di Planck e al secondo. “Tutte le unità di misura sono autonome” – ha spiegato al New York Times Noël C. Dimarcq, fisico e presidente del comitato consultivo del Bipm per tempo e frequenza – “ma dipendono tutte dal secondo. In linea di principio, potremmo andare in drogheria e chiedere, anziché un chilogrammo di patate, un certo numero di secondi di patate”. E gli avanzamenti tecnologici degli ultimi anni, e in particolare la costruzione di orologi sempre più precisi, consentono oggi, oltre mezzo secolo dopo l’ultimo aggiornamento del 1967, di formulare una definizione ancora più precisa del secondo. Stiamo parlando dei cosiddetti orologi atomici ottici, che lavorano misurando atomi che oscillano molto più velocemente del cesio. Il tutto sarà fatto con molta calma: a giugno i metrologi del Bipm concluderanno la stesura della lista finale dei criteri che dovrà soddisfare la nuova definizione, e secondo Dimarcq la maggior parte di loro sarà ottemperata entro il 2026; l’approvazione finale è prevista per la fine del decennio

Via: Wired.it
Credits immagine: Moritz Kindler/Unsplash

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