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IL SISTEMA INTERNAZIONALE DI UNITÀ DI MISURA CAMBIA

Come ormai molti lettori della rivistasanno, il Sistema Internazionale di unitàdi misura (SI) sta per essere rivoluzio-nato. Nel nuovo SI, le sette unità di ba -se (secondo, metro, chilogrammo, am -pere, kelvin, mole, candela) saranno ri -definite in termini di sette costanti fonda -mentali della natura [1], il cui valoresarà fissato e privo d’incertezza. Nelno vembre di quest’anno (2018) il nuo -vo SI verrà formalmente approvato dal -la 26° Conferenza Generale dei Pesi edelle Misure. La definitiva adozione daparte delle nazioni della Convenzionedel Metro, tra cui l’Italia, è prevista peril 20 maggio 2019, l’ImplementationDay. Il ricercatore che si occupa di metrolo -gia primaria ha ormai digerito il signi-ficato della ridefinizione, in discussio-ne -– dal punto di vista scientifico, tec-nico, politico – ormai da molti anni. Ilme trologo industriale e l’utente dellame trologia, tenuti un po’ ai margini diquesto dibattito, hanno invece menotempo per chiarirsi le idee.

COSA CAMBIA E COSA RESTA INVARIATO

Cosa cambia, e cosa resta uguale,nel nuovo SI rispetto al Sistema attual-

te in vigore, ma unità convenzionali:V90, A90, W90, Ω90,... Nei certificatidi taratura, di solito, il suffisso “90”viene omesso, ma da qualche partedovreste trovare una nota – scritta pic-colo piccolo, come nei contratti assi-curativi – che con qualche vergognarimanda al problema. Il “90” sta per1990, quando [3] la comunità metro-logica ha dovuto prendere atto che larealizzazione meccanica delle unitàelettriche, imposta dal Sistema, avevaun’accuratezza molto inferiore rispet-to alla riproducibilità degli esperimen-ti quantistici elettrici (effetto Josephsone effetto Hall quantistico) e ha fissatocome esatti i valori di due costanti fon-damentali [4], creando un sistema diunità elettrico, appunto, convenzionalee parallelo a quello del SI. La ridefini-zione del Sistema Internazionale chiu-de il problema, e le unità convenziona -li diventano de jure unità SI. Un picco-lo scossone ci sarà: la “taglia” del voltcambierà di circa 1×10-7, un gradinoosservabile non solo dagli istituti metro-logici ma anche da alcuni (pochi) labo-ratori secondari di taratura.

LE NUOVE DEFINIZIONI

Il nuovo SI propone un nuovo para-digma per la definizione delle unità,di base e derivate. Nel Sistema attual-mente in uso, che risale al 1960, leuni tà sono definite esplicitamente, conun esperimento ideale, che suggerisceuna realizzazione. Prendiamo un’uni-tà che conserva la stessa “taglia” nellaridefinizione: il metro è oggi [5] “... lalunghezza del cammino percorso dal -la luce nel vuoto, durante l’intervallo ditempo pari a 1/299.792.458 s”. Nel

Istituto Nazionale di RicercaMetrologica, Torinol.callegaro@inrim.it

THE SI REDEFINITIONThe International System (SI) of measurement units is close to a redefinition:the seven base units will be linked to seven fundamental constants of nature,the value of which will be exactly fixed. The paper discusses the effects andopportunities caused by the redefinition.

RIASSUNTOIl Sistema Internazionale (SI) di unità di misura è prossimo a una ridefini-zione: le sette unità di base saranno legate a sette costanti fondamentalidella natura, il cui valore sarà fissato come esatto. Si analizzano alcuni deicambiamenti imposti e le opportunità aperte dalla ridefinizione.

mente in vigore? Un primo aspetto, il più eclatante, èl’abbandono delle definizioni basatesulle proprietà di singoli oggetti o del -la materia condensata. Il chilogram-mo prototipo internazionale, il cilin-dro equilatero di platino-iridio forgia-to nel 1875, unico e irripetibile, delquale tutti ricordiamo una foto nei libridi scuola, non costituirà più l’unità dimas sa, che sarà invece realizzata daun esperimento. I termometristi guar-deranno con sospetto le loro celle peril punto triplo dell’acqua, la cui tem-peratura non sarà più esattamente273,16 K. Gli elettrici, come me, possono pian-gere la perdita del valore esatto diuna delle poche costanti fondamenta-li che riuscivamo a ricordare a memo-ria, il 4π×10-7 H/m della permeabili-tà magnetica del vuoto μ0. Hanno pe -rò parecchio da guadagnare. L’oscu-ra e farraginosa definizione dell’am-pere [2], che nell’attuale SI è un’idea-lizzazione di un esperimento mecca-nico, sparirà anch’essa, sostituita dauna definizione che fissa la carica ele-mentare e. Finalmente, le unità elettri -che che usiamo da quasi trent’anniavranno un loro fondamento nel Siste-ma Internazionale. Vale la pena infat-ti di ricordare che le unità elettricheoggi in uso, con cui vengono tarati glistrumenti elettrici in tutto il mon do,non sono unità del Sistema attualmen-

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METROLOGIA PRIMARIA

La ridefinizione del SistemaInternazionale di unità

Luca Callegaro

Constant evolutionIL TEMA

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ILTEMA

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nuovo SI, il metro è “... l’unità SI per lalunghezza. È definito dal valore nume-rico fissato della velocità della luce nelvuoto, pari a 299.792.458, quandoespresso nell’unità m s-1”. Come sivede, nella nuova definizione non èpiù suggerito un esperimento.Il nuovo paradigma dà un nuovo colo-re alla realizzazione delle unità. Que-sta non sarà più appalto esclusivo deigrandi istituti metrologici primari:qualsiasi esperimento o dispositivoche sia in grado di agganciare la mi -sura di una grandezza fisica alle co -stanti fondamentali definite come esat-te sarà una realizzazione della corri-spondente unità nel nuovo SI. L’incer-tezza della realizzazione potrà esse-re grande o piccola, a seconda dellenecessità scientifico/tecniche.Nell’ottobre 2017 un convegno inter-nazionale [6] ha chiarito ai metrologistessi, notoriamente piuttosto tradizio-nalisti, questo importante concetto. IlNational Institute of Standards andTechnology (NIST, USA) ha addiritturapresentato un intero programma diricerca, ampiamente finanziato, SI ona chip, finalizzato alla disseminazio-ne di tecnologie per la realizzazionedelle unità del nuovo SI in dispositivisemplici e compatti, che possano es -sere acquisiti dai laboratori di taratu-ra e, in prospettiva, direttamente in -corporabili negli strumenti di misura.Ri cerche analoghe sono in corso an -che negli istituti metrologici europei,finanziate da progetti europei dedica-ti [7]. Tra le tecnologie più promettenti pre-sentate ricordiamo: bilance di Kibble“tabletop” per la pesata elettromagne -tica diretta di piccole masse; ge ne -ratori di tensione e resistenza elettricaquantizzata di piccole dimensioni, insi stemi criogenici a circuito chiuso;sor genti di singoli fotoni o elettroni ondemand; manometri ottici prima riFLOC (fixed-length optical cavity);vacuometri a fascio atomico; termo-metri primari a diffusione fononica instrutture nanometriche su fibra, termo-metri a rumore elettrico con riferibilitàquantistica. Cito solo i titoli perché an -che una descrizione sommaria di que-ste nuove proposte richiederebbe unarticolo a sé.

LA ZERO-CHAIN TRACEABILITY

L’obiettivo finale è la zero-chain tra-ceability: lo strumento di misura incor-porerà la realizzazione dell’unità esa rà permanentemente agganciato al -le costanti fondamentali di natura del -le definizioni del nuovo Sistema Inter-nazionale. Scompariranno di con -seguenza gli Istituti Metrologici Prima-ri, come qualcuno ha vaticinato? Sive drà. Il cammino è lungo e richiederà nuovesinergie con il mondo accademico, ila boratori di taratura, l’industria deico struttori di strumenti, gli utenti dellametrologia, per far conoscere il nuo voSistema Internazionale e permettere dicoglierne le opportunità. L’INRiM ha incantiere iniziative di divulgazione atutti i livelli, e ha già iniziato a fornireil suo contributo sul piano internazio-nale. Tutto italiano è infatti lo slogandel World Metrology Day 2018. Scel-to dall’INRiM tra le proposte degli stu-denti dell’Istituto d’Arte Applicata eDesign (IAAD) di Torino, sintetizza ilgiusto atteggiamento con cui confron-tarsi con la ridefinizione del SistemaInternazionale: constant evolution.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

1. Le costanti fondamentali su cui sibasa il nuovo SI sono: la frequenza ditransizione iperfine dell’atomo di cesio-133, ΔνCs; la velocità della luce nelvuo t o c; la costante di Planck h; la cari-ca elementare e; la costante di Boltz-mann k; la costante di Avogadro NA;l’efficacia luminosa della radiazionemonocromatica a 540×1012 Hz, Kcd.2. “L’ampere è quella corrente elettri-ca costante che, se mantenuta in dueconduttori paralleli di lunghezza infi-nita, di sezione circolare trascurabile,e posti a 1 metro di distanza nel vuo -to, produrrebbe fra questi conduttoriuna forza uguale a 2×10-7 newtonper metro di lunghezza”. 8th SI Bro-chure (vedi nota e), traduzione in ita-liano in UNI CEI EN 80000-6.3. Risoluzione 6 della 18° ConferenzaGenerale dei Pesi e delle Misure (CGPM1987). Online, www.bipm.org.4. Le costanti di Josephson KJ = 2e/h

e di von Klitzing RK = h/e2 sono statefissate (vedi nota c) a valori conven-zionali privi d’incertezza KJ-90 e RK-90.Con il miglioramento della determina-zione, oggi sappiamo che la devia-zione relativa di KJ-90 dal valore SI KJè di cir’a’ 1×10-7, e per RK-90 di circa2×10-8.5. Mie libere traduzioni di SI Brochu-re: The International System of Units(SI). Online, www.bipm.org. Il Si -stema oggi in vigore è descritto nella8th edition, 2014; il nuovo Sistemanella 9th edition, proposta.6. BIPM Workshop: The Quantum Re -vo lution in Metrology, 28-29 Settem-bre 2017, BIPM, Parigi, Francia.7. European Metrology Programmefor Innovation and Research (EMPIR),www.euramet.org.

Figura 1 – Il poster del World Metrology Day, 20 maggio 2018,

www.worldmetrologyday.org. L’INRiM e l’Italia hanno contribuito con lo slogan constant evolution,

degli studenti dell’Istituto d’Arte Applicata e Design (IAAD) di Torino, che verrà proposto

in tutto il mondo per divulgare il nuovo Sistema Internazionale

Luca Callegaro è PrimoRicercatore presso l’Isti-tuto Nazionale di RicercaMetrologica (INRiM) diTorino, di cui è responsa-bile della Divisione Nano-

scienze e Materiali. Dal 2015 è Chairmanper il Technical Committee on Electricityand Magnetism (TC-EM) dell’EuropeanAssociation of National Metrology Insti-tutes (EURAMET).

TUTTO_MISURE - ANNO 20, N. 01 - 2018

ANNO XXN. 01 ƒ2018

LA RIVISTA DELLE MISURE E DEL CONTROLLO QUALITÀ - PERIODICO FONDATO DA SERGIO SARTORIORGANO UFFICIALE DELL’ASSOCIAZIONE “GMEE” E DI “METROLOGIA & QUALITÀ”

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EDITORIALEI buoni propositi

IL TEMALa ridefinizione del SI

GLI ALTRI TEMITaratura e riferibilità

NUOVE PROSPETTIVEPER LA METROLOGIA

Metrotronica

ALTRI ARGOMENTIGli oneri di sistema

nelle fatture di energia: chi paga?

La 17025 –Organizzazione – Parte III

Misure e fidatezza

Metrologia generale