x - Fisica - Sapienza

temperature sono in gradi Celsius in Europa e in gradi Fahrenheit negli USA. E’ fondamentale
“mettersi d’accordo” sulle unità di misura. Dall’’800 si procede verso la standardizzazione delle
unità (si tratta di una delle poche eredità utili del positivismo ottocentesco). Vi é una branca molto
importante della fisica che si chiama metrologia che fa questo lavoro.
Per procedere alla standardizzazione di cui si é detto, é fondamentale disporre di campioni di
riferimento (i misurandi particolari di cui si é detto sopra appunto) internazionalmente riconosciuti
delle varie grandezze che siano sempre “meglio definiti”. Una volta creati questi campioni, l’uso di
uno strumento sarà possibile solo dopo che lo strumento stesso sarà stato “applicato” al campione di
riferimento. Quindi per esempio supponiamo che da qualche parte vi sia il campione di lunghezza
(1 metro). Devo portare lì il mio regolo (o righello o metro da sarta o calibro o qualunque altro
strumento per misure di lunghezza) e fare in modo che “applicato” al campione di riferimento
indichi 1. Analogamente per i tempi , per le masse e per qualunque altra grandezza. Questa
operazione che si chiama calibrazione o taratura dello strumento, é un operazione che facciamo
spesso (per esempio con il nostro orologio quando lo rimettiamo sentendo il segnale alla radio o al
telefono). Si tratta di una operazione che richiede (a) la fiducia che il riferimento sia “migliore”
della nostra misura e (b) che su quel riferimento si sia d’accordo tra tutti. Naturalmente non é
possibile che vi sia un unico campione di riferimento al mondo e che tutti debbano andare lì a fare
la calibrazione. Questo campione deve essere distribuito, ma in ogni caso, in linea di principio deve
essere possibile fare questa operazione di taratura.
Vediamo ora quali sono i campioni di riferimento per le grandezze di uso più comune: il tempo, la
lunghezza e la massa.
(1.1.1) L’unità di tempo.
È difficile dare una definizione della variabile tempo. Il punto di partenza é la percezione che in
natura vi sono eventi che si ripetono in un modo che noi percepiamo come regolare. I primi esempi
sono il giorno e le stagioni. E, in effetti, la prima definizione (prima in senso storico) di unità di
tempo si basa su questo: il secondo (s) é 1/86400 del “giorno solare medio” . Si tratta di una misura
basata sulla riproducibilità di fenomeni astronomici, in questo caso il moto di rotazione della terra
su sé stessa.
Ben presto ci si accorse che in realtà il giorno solare medio non é sempre uguale, o, detto in altre
parole, che vi sono dei meccanismi astronomici che rendono “irregolari” i moti dei pianeti.
Confrontato con altri fenomeni periodici differenti, si vide che c’erano variazioni “secolari” legati ai
moti complessi della terra. Di qui l’esigenza di riferirsi non a fenomeni astronomici ma a qualcosa
che fosse fisso e ben riproducibile: apparve allora naturale riferirsi a fenomeni che fossero
caratteristici di un certo materiale e che pertanto fossero invariabili nel tempo. Fenomeni di questo
tipo sono dati dalla vasta gamma di emissione di radiazione elettromagnetica da parte di certi
materiali e dalle loro frequenze.
L’attuale definizione di secondo é la seguente: é la durata di 9192631.770 periodi della radiazione
corrispondente alla transizione tra i 2 livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di Cesio
133 ( 133 Cs). Quindi occorre un campione di 133 Cs per produrre il campione di riferimento. La
ragione di questo numero così bizzarro (9192631.770) risiede nell’esigenza di mantenere una unità
sostanzialmente equivalente al “vecchio secondo” così radicato nella società. Si noti che in questo
modo il valore del periodo di quella particolare radiazione del Cesio 133é una quantità nota
esattamente, non affetta da incertezza (vedi prossimo paragrafo).
(1.1.2) L’unità di lunghezza.
Nel caso della lunghezza, la cosa più naturale da fare é prendere un’asta e vedere quante “aste” é
lungo il mio misurando. Naturalmente devo scegliere un “asta” opportuna (usare il palmo della
propria mano comporta evidenti problemi). Allora si disse: prendiamo una cosa fissa e tutti ci
riferiamo a quella. Insorsero però dei problemi. Infatti si vide che la lunghezza di questo
“campione” variava al variare della temperatura. Allora si disse: prendiamo un campione di un
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