Le definizioni che sino ad ora sono state utilizzate per individuare le sette unità fondamentali verranno sostituite. Le nuove definizioni daranno alle nostre misure delle basi più solide e immutabili nel tempo e nello spazio. Cerchiamo di capirne di più con il Dott. Andrea Merlone, metrologo dell’INRiM di Torino.
Buongiorno Dott. Merlone, ci potrebbe spiegare innanzitutto cosa è la metrologia e chi è il metrologo?
La metrologia è la scienza delle misure. La misura è il metodo che l’uomo ha adottato per comprendere i fenomeni naturali che lo circondano. La natura non ci mette a disposizione numeri espressi con la nostra algebra. Due alberi in realtà sono un albero e un altro albero. Solo attraverso una codifica numerica noi riusciamo a comprendere i fenomeni, in tutte le discipline, e soprattutto a confrontarli tra loro. Una misura infatti è sempre il risultato di un confronto del “misurando” (ciò quello di cui ci interessa valutare una proprietà) e un’unità di misura.
La misura si esprime sempre attraverso un numero e il simbolo di un’unità. Il numero andrebbe sempre accompagnato dal valore dell’incertezza con cui siamo riusciti a svolgere la misura (quello che una volta si chiamava “errore”). Non può esistere una misura perfetta, priva di incertezza. Senza incertezza non si può comprendere la validità di una misura, mentre aggiungendo un intervallo di incertezza, una sorta di “più o meno”, possiamo essere ragionevolmente sicuri che il valore della nostra misura è compreso in quell’intervallo. L’incertezza è quindi l’unico modo per avere una certezza! Proprio la riduzione delle incertezze di misura è uno degli scopi della metrologia.
L’unità è poi rappresentata da dei campioni che la realizzano, che sono appunto conservati e migliorati nei diversi Istituti Nazionali di Metrologia, presenti in ogni nazione.
L’INRiM di Torino, è conosciuto soprattutto perché conserva il riferimento nazionale per l’unità di tempo e per la famosa “ora esatta”. Quali altre unità fondamentali sono conservate all’INRiM e come vengono conservate?
I campioni primari delle unità di base, chilogrammo, metro, secondo, ampere, kelvin, mole e candela sono praticamente tutti conservati, mantenuti e migliorati all’INRiM con due finalità: mantenere garantito il sistema nazionale di taratura (L’infrastruttura metrologica e il Sistema nazionale di taratura) e fare si che i campioni italiani siano confrontati con i campioni delle altre nazioni firmatarie la convenzione del metro, attraverso il Mutual Recognition Arrangement del Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure. La prima finalità garantisce che quando andiamo a comprare al mercato un chilo di peperoni sia effettivamente un chilo (ma anche la validità dei contatori elettrici, degli erogatori di benzina, e soprattutto di tutte le misure scientifiche, mediche, commerciali etc.). L’altro punto riguarda il fatto che gli stati aderenti alla convenzione del metro (quasi tutte le nazioni del mondo) riconoscano un unico sistema di unità di misura (System of Unit – SI).
Per fare questo occorrono laboratori all’avanguardia, per effettuare le misure con la minore incertezza possibile. Strumentazione scientifica e realizzazioni dedicate su un ampia gamma di livelli di misura: da quelle primarie (i campioni di riferimento nazionali appunto) a quelle più applicative (la metrologia per la salute, l’industria, l’ambiente).
Interessante la metrologia. Ma se una bilancia di Torino deve effettuare pesate uguali ad una bilancia di Trieste o di Palermo, quale è la catena di lavoro che consente questo, se il riferimento nazionale è solo a Torino?
Il sistema nazionale di taratura e la metrologia in generale basano il loro fondamento su quella che viene definita “la catena di riferibilità”.Ovvero tarare la sequenza di gli strumenti (fino alla bilancia dei peperoni di prima) rispetto a un campione in qualche modo migliore, che viene via via tarato fino al campione che definisce l’unità stessa. Non è pensabile portare il preziosissimo chilogrammo campione italiano che è unico e conservato solo all’INRiM, per tarare la bilancia della bancarella. Con il chilogrammo campione primario si tarano per confronto delle copie, che servono a tarare bilance di precisione, con cui si tarano campioni commerciali di lavoro, che servono a loro volta a tarare bilance… e via via fino alla nostra bilancia dei peperoni. Questo vale per termometri, igrometri, misuratori laser per le lunghezze, portate di gas. Tutto insomma.
Dopo questa breve introduzione alla metrologia passiamo all’argomento dell’intervista. Oggi entra in vigore il nuovo sistema internazionale delle unità di misura (SI). Perché il passaggio al nuovo SI viene definito come una svolta epocale?
Perché si tratta della più importante revisione del Sistema Internazionale dalle sue origini. Il concetto fondamentale ed innovativo è che le leggi della natura diventano le nuove regole per misurare, permettendo di ottenere misurazioni più precise e affidabili, che contribuiranno al progresso scientifico e tecnologico.
Si è scelto il 20 maggio per l’entrata in vigore del nuovo SI perché proprio oggi si celebra la Giornata Mondiale della Metrologia per ricordare la firma della Convenzione del Metro, un trattato internazionale siglato a Parigi nel 1875 da diciassette paesi, tra cui l’Italia. Nel 1875 la Convenzione pose le basi per stabilire un sistema di misurazione comune e condiviso, che nel tempo ha favorito la collaborazione sul piano scientifico, tecnologico e commerciale tra i vari paesi del mondo.
Il tema scelto dalla comunità metrologica internazionale per le celebrazioni di quest’anno è “Sistema Internazionale delle unità di misura – Fondamentalmente migliore” perché nel nuovo SI le 7 unità di misura di base vengono ridefinite per mezzo delle costanti fondamentali della fisica.
Facciamo un esempio: cosa accadrà dopo il 20 maggio alla temperatura e agli strumenti che la misurano?
Nulla! In effetti una delle raccomandazioni della Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure è che non vi siano implicazioni per gli “utenti” dovute all’introduzione delle nuove definizioni delle unità di base. I termometri leggeranno sempre gradi celsius (non centigradi che sono in disuso dal 1948!), la massa si misurerà con le stesse bilance e sempre in chilogrammi e così per il resto. Ciò che cambia è la nostra idea di misura. Ovvero la nostra interazione con la natura diventa totalmente universale, attraverso l’utilizzo di costanti che valgono in tutto l’universo e non più di artefatti costruiti da noi.
Si avranno in futuro comunque altri benefici. Ad esempio si potranno svolgere misure direttamente termodinamiche confrontandole con il campione primario che sarà definito attraverso la costante di Boltzmann. Si eviterà che i sistemi di pulizia e mantenimento del chilogrammo rischino di aumentarne o diminuirne la massa. Probabilmente i primi a beneficiare delle nuove definizioni saranno i fisici del CERN che potranno legare meglio tra loro, i risultati delle loro misure di fisica fondamentale.
Che cosa ne sarà del buon vecchio “Grand Kilo” dopo il 20 maggio?
Andrà al museo, insieme alla barra da un metro che lo ha preceduto di parecchi decenni. La velocità della luce è stata infatti già fissata priva di incertezza nel 1982. E così anche l’idea di definizione della temperatura, legata alla temperatura del punto triplo dell’acqua (coesistenza di fase solida, liquida e vapore, pari a 0.01 °C).
Quali sono gli attuali progetti di ricerca a cui lei sta lavorando e quali grandezze fisiche fondamentali o derivate prendono in considerazione?
Ho lavorato per una decina di anni in metrologia primaria per la temperatura, migliorando la definizione di scala di temperatura e fornendo misure e sistemi di controllo termico ai massimi livelli per tre esperimenti mirati a raffinare il valore della costante di Boltzmann. I sistemi che abbiamo sviluppato hanno contribuito agli esperimenti che hanno fornito il valore ora definito e privo di incertezza. Va ricordato che il processo di ridefinizione del sistema di unità è durato quasi trent’anni di lavori, esperimenti e studi.
Successivamente mi sono reso conto che vi è un’urgenza primaria nel comprendere l’evoluzione del clima del nostro pianeta e come la temperatura sia la grandezza principale coinvolta nei processi di global warming.
Da una decina di anni, insieme a giovani e motivati ricercatori, ho avviato una nuova area di ricerca, che ha portato a progetti di rilievo premiati con finanziamenti europei di oltre una decina di milioni di euro. Abbiamo girato un interessante documentario sul progetto “MeteoMet – Metrology for Meteorology” che coniuga proprio queste due parole, così simili (sovente un metrologo viene inteso come chi fa le previsioni meteo!). Come metrologi, stiamo cercando di rispondere a una domanda semplice: la temperatura del pianeta sta aumentando davvero e di quanto? Per questo abbiamo applicato le tecniche più raffinate della metrologia ai sensori meteorologici, a quelli marini e a quelli impiegati per seguire l’evoluzione delle aree glaciali. Abbiamo avviato strette collaborazioni con meteorologi e climatologi. Oggi mi trovo ad essere il primo metrologo ufficialmente delegato all’Organizzazione Mondiale di Meteorologia (WMO) delle Nazioni Unite, dove ho ricevuto l’incarico di responsabile di due gruppi di esperti mondiali sulle misure di riferimento in climatologia e sulle incertezze di misure atmosferiche. La risposta l’abbiamo comunque già avuta: il clima sta mutando, ad una velocità inattesa; gli strumenti funzionano e i dati pubblicati dai climatologi sono drammaticamente corretti e allarmanti.
Terminiamo questa intervista con un pensiero ai nostri giovani. Quali consigli può dare ai giovani che vogliono avvicinarsi al mondo della metrologia? Quali percorsi formativi sono più indicati?
Una laurea in fisica, ingegneria, ma di recente anche chimica, matematica e scienze ambientali. Fare domanda per il dottorato in metrologia del politecnico di Torino, che è l’unico dottorato al mondo proprio in metrologia e scienze delle misure. Cercare una borsa all’INRiM e poi essere preparati ad anni di precariato, come avviene sempre nel maltrattato mondo della ricerca italiana.
Prima di tutto però si deve avere l’attitudine alla pazienza, a cercare sempre la cifra significativa in una misura, a sapere cogliere i punti deboli di uno strumento, a domandarsi sempre quanto sia attendibile ciò che indica uno strumento, dall’orologio alla parete, al termostato del frigorifero, a un multimetro a 8 digit. La metrologia è un’attitudine i cui risultati sono difficili da apprezzare.
Se per un biologo scoprire il comportamento di una cellula, per un chimico un nuovo legame o molecola, per un astrofisico una costellazione, per un ingegnere elettronico realizzare un nuovo microcircuito costituiscono un risultato, per il metrologo stabilizzare la 7 cifra decimale di una misura è un risultato… parziale perché poi c’è sempre l’8 cifra e la nona… Insomma, un lavoro scientifico un po’ speciale, al servizio sia della comunità sia della scienze.
Grazie molte per l’intervista Dott, Merlone, è stata davvero interessante. Ora sappiamo molto di più sulla metrologia e su come questa entri con “misurata” discrezione nella vita quotidiana di ognuno di noi…
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Andrea Merlone è un fisico e primo ricercatore all’INRiM di Torino. Le sue attività di ricerca hanno spaziato dalla fisica dei neutroni e del reattore nucleare, all’utilizzo di transizioni di fase per la termometria primaria, a misure accurate termodinamiche per la definizione della scala internazionale di temperatura, alle misure della costante di Boltzmann per la ridefinizione del kelvin.
Attualmente si occupa di metrologia termica applicata alla meteorologia e alla climatologia. In ambito meteorologico e climatologico è membro esperto nell’International Surface Temperature Initiative, nel GCOS Upper Air Reference Network, nell’Expert team on Operational In Situ Technologies della Commission on Instruments and Methods of Osbservation. E’ inoltre il primo metrologo ad essere stato nominato nella Commissione Climatologia del WMO. Ha ideato e promosso i cicli di conferenze “Metrolgy for Meteorology and Climate” e gli “Arctic Metrology Workshop”. Nel 2013 è stato insignito del premio “Impact prize” EURAMET. Presenta 115 Lavori a stampa nell’archivio CINECA, di cui oltre 50 pubblicazioni su riviste internazionali censiti da SCOPUS.
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