Linee di scienza

Il Sistema Internazionale delle unità di misura non è mai stato così dinamico (o forse sarebbe meglio dire “quantistico”)! Siamo infatti molto prossimi al punto di svolta che porterà alla ridefinizione di ben quattro unità di musura, rispettivamente della massa (il kg, chilogrammo), della corrente elettrica (A, Ampère), della temperatura (K, Kelvin) e della quantità di materia (mole). La questione della definizione delle unità di misura è di vitale importanza sia per l’attendibilità dei risultati sperimentali (si pensi al recente esperimento sulla velocità dei neutrini) sia per le teorie scientifiche stesse. Il problema delle “vecchie” definizioni è che non sono così universali come per esempio lo sono quella dell’unità di misura del tempo (il secondo) o della lunghezza (il metro) che si basano su fenomeni fisici estremamente costanti (come la frequenza di oscillazione della luce emessa dall’atomo di Cesio) e perché fanno riferimento alle costanti fondamentali della natura (come la velocità della luce).

Avevo già annunciato in un post la XXIV Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM), di Parigi, che si è tenuta dal 17 al 21 ottobre scorsi e dalle risoluzioni prese emergono interessanti prospettive (non ancora prese ufficialmente, ma annunciate come probabili nel prossimo futuro).

• Il kg si definirà in riferimento alla costante di Planck
• L’ampère in funzione della carica elementare e dell’elettrone
• Il kelvin in riferimento alla costane di Boltzmann
• La mole sarà definita in base al numero di Avogadro

Se c’è qualcosa che è didatticamente vincente, penso, è proprio il fatto di poter insegnare un argomento che è ancora in divenire, che non è fissato una volta per tutte in un manuale. I libri di testo a breve quindi cambieranno e l’argomento di Fisica o Chimica studiato in classe sarà ancora oggetto di qualche articolo sui quotidiani. Il caso nello specifico delle unità di misura è un esempio molto particolare, perché dagli studenti viene visto spesso come un insieme di dati noiosi e per giunta difficili da imparare solo a memoria in maniera arida. Invece il fatto di sapere che ci sono ancora gruppi di ricerca che si stanno impegnando per “rivoluzionare” le definizioni e renderle il più affidabili possibile è di sicuro interessante.
Per quanto riguarda il chilogrammo e l’ampère poi, l’esperimento che li legherebbe alle costanti fondamentali della natura è l’effetto Hall quantistico… quindi in classe abbiamo un’ottima opportunità per approfondire argomenti di fisica quantistica legati alla superconduttività. Mi riferisco in particolare alle classe quinte, nelle quali è sempre utile riprendere argomenti delle classi precedenti (il Sistema Internazionale di misura si introduce il primo anno in cui si studiano Fisica e Chimica).

Materiali on line e attività

• La risoluzione presa dalla recente Conferenza Generale dei Pese e delle Misure, che si intitola “On the possible future revision of the International System of Units, the SI” (ottimo esercizio anche per il Clil in lingua
• L’abstract dell’articolo appena pubblicato dal gruppo di ricerca inglese del National Physical Laboratory di Teddington, che sfrutta l’effetto Hall quantistico nel grafene. Vale la pena di sottolineare che è ormai diventata buona usanza fra i ricercatori sottomettere alle riviste scientifiche anche un video-abstract nel quale gli autori spiegano brevemente il loro lavoro. Così potete vedere in prima persona gli scienziati e ascoltare la notizia direttamente dalla loro voce.

• La notizia pubblicata sul sito della rivista Le Scienze, che presenta una buona sintesi dei concetti fondamentali per capire i motivi della “corsa” dei ricercatori alle costanti fondamentali della natura
• Per quanto riguarda le unità di misura (di ogni ordine e grado!), riporto qui di seguito una breve lista di pagine web che contengono convertitori automatici da un’unità all’altra e che sono significativi per farsi un’idea di quanto vasto sia il panorama. Si potrebbe inventare una “caccia al tesoro”, una specie di gioco didattico nel quale si propongono via via unità di misure curiose e sconosciute e lo studente deve trasformarle da una scala all’altra. Un esempio? Quanto vale la misura di un anello da dito inglese “L” nel sistema di misura giapponese? E la velocità del vento di 17-21 nodi (che è una “brezza tesa”) a quanti m/s corrisponde? Quanti parsec sono 100000000000 mm?
• - http://jumk.de/calc/lunghezza.shtml
• - http://www.colinj.co.uk/Calc/Unit-conv/index_ita.html
• - http://www.themeter.net/

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Nel 2011, dal 17 al 21 ottobre, si terrà la XXIV Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM), che si riunisce a Parigi ogni quattro anni.
Il Sistema Internazionale di misura (SI) è stato introdotto nel 1960 dalla XI Conferenza ed è stato legalmente adottato in Italia solo nel 1982. Negli Stati Uniti invece non è ancora stato adottato ufficialmente e in Gran Bretagna ci sono molte difficoltà: pensate che esistono delle associazioni in difesa ad esempio della “pinta” che si rifiutano di adottare le unità di misura standard! Questa pagina web a cura di Paolo Fornasini dell’Università di Trento contiene una buona sintesi del SI, dei sistemi di misura in generale e della “questione anglosassone”.

Ma è di estrema attualità un’altra questione importante: la definizione del chilogrammo, che è l’unica unità fondamentale del SI basata ancora su un campione artificiale, quello di platino-iridio conservato a Sèvres in Francia. Il campione però si sta deteriorando e sono allo studio altri metodi per definire l’unità di misura della massa, che si basino su proprietà atomiche o sulle costanti fondamentali della natura: la cosante di Planck (h), la carica dell’elettrone (e), la costante di Boltzmann (k) e il numero di Avogadro (NA). Per approfondire l’argomento, consiglio un articolo sul sito di Torinoscienza. La ridefinizione in termini di costanti fondamentali della natura riguarda anche l’ampère, il grado kelvin e la mole.
Sul sito della Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure si legge che quest’anno non si proporrà ancora una nuova definizione del chilogrammo, nonostante i numerosi progressi ottenuti in questi anni, ma che comunque sarà l’argomento principale intorno al quale si concentreranno gli interventi dei relatori.
Insomma, siamo ancora nella fase del work in progress… staremo a vedere!
Per finire, se cercate un buon dizionario delle unità di misura (con tutti i tipi di conversione fra una e l’altra) quello dell’ Università del North Carolina è ottimo!

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Massa inerziale – massa gravitazionale, definite entrambe da Newton, hanno sorprendentemente lo stesso valore: «a priori sarebbe stato difficile ipotizzare questo risultato, data la profonda differenza concettuale tra inerzia e gravità» scrive il professor Pasquale Tucci in un articolo pubblicato sulla rivista dell’INFN “Asimmetrie” (disponibile anche on line).

«Come osservò Einstein, il fenomeno è semplicemente registrato nella Meccanica Newtoniana, ma non è deducibile dalla teoria» – si legge nell’articolo che ne sottolinea l’importanza fondamentale per gli studi teorici di Einstein – «Einstein considererà […] l’uguaglianza tra massa inerziale e massa gravitazionale la base empirica del principio della relatività generale (1915) che dà una spiegazione coerente della relazione tra inerzia e gravità» sottolineandone il fallimento «il programma einsteiniano non riuscirà a raggiungere l’obiettivo di spiegare l’origine della massa».

Il problema è ancora aperto. Forse con il Modello standard delle particelle elementari si troverà una soluzione grazie al “bosone di Higgs”.

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