Una nuova misurazione di una costante fisica fondamentale segna il punto di svolta nella ricerca di una scala delle temperature perfetta di Lee Billings

Il termometro più accurato dell'universo noto si trova in un edificio piuttosto anonimo a Teddington, in Inghilterra, nel campus del National Physical Laboratory (NPL). Non somiglia per nulla a un sottile tubo riempito di mercurio o alcool colorato: si tratta infatti di un contenitore di rame grande come un melone, riempito di gas argon ultrapuro e diluito, costellato da microfoni e antenne per le microonde, modellato da un tornio a punta di diamante per ottenere una tolleranza sulla misura del suo raggio di soli 12 strati atomici di rame.
 


In realtà, l'obiettivo di questo termometro non è misurare la temperatura, ma effettuare misurazioni che potrebbero presto permettere agli scienziati di ridefinire completamente la temperatura, portandola al livello di accuratezza del metro e di altre unità di misura standard internazionali.

Ciò che il dispositivo misura è la relazione tra energia, espressa in joule, e temperatura in gradi kelvin, ovvero nell'unità di misura standard internazionale. Questa relazione è espressa dalla costante di Boltzmann e, in un mondo perfetto, rappresenterebbe la base fisica ideale per definire il kelvin. Che storicamente la via per definirlo sia stata un'altra si deve al fatto che gran parte del nostro pianeta è ricoperta di acqua, le cui transizioni di stato rappresentano riferimenti molto comodi per definire la scala della temperatura.

Poiché le nostre concezioni standard di temperatura sono intrinsecamente correlate alle transizioni di fase dell'acqua, conosciamo con esattezza solo due temperature: lo zero assoluto, cioè la temperatura a cui cessa ogni moto atomico, e i 273,16 kelvin.

Questa seconda temperatura è il cosiddetto punto triplo dell'acqua, in cui essa può esistere stabilmente in forma di ghiaccio, liquido e vapore. Nel 1954, un accordo internazionale ha definito il kelvin come il valore che si ottiene dividendo per 273,16 la differenza tra lo zero assoluto e il punto triplo dell'acqua. Tutti i termometri del mondo sono dunque calibrati rispetto a questo punto triplo dell'acqua, che a sua volta viene determinato utilizzando “celle a punto triplo” appositamente costruite, riempite di acqua con uno specifico rapporto tra gli isotopi dell'idrogeno e dell'ossigeno, definito nella comunità metrologica internazionale come Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW).

Generalmente, questo sistema funziona in modo egregio: un recente confronto tra celle a punto triplo in tutta Europa ha rivelato tra di esse variazioni di temperatura di soli 20 milionesimi di gradi kelvin. Purtroppo mostra i suoi limiti per temperature molto lontane dal punto triplo, come quelle che si trovano nei sistemi criogenici o all'interno delle stelle. Le temperature estremamente basse o estremamente alte devono essere misurate utilizzando standard come il punto di solidificazione del rame o il rumore elettrico all'interno di un resistore. Tutti questi sistemi devono essere indirettamente ricollegati al punto triplo dell'acqua con diversi livelli di incertezza e di approssimazione.

“È paradossale che il kelvin non leghi direttamente la temperatura all'energia”, spiega Michael de Podesta, metrologo dell'NPL che guida il team responsabile del termometro che ha ottenuto il primato mondiale di accuratezza. È successo questo solo perché le persone hanno iniziato a misurare le temperature molto prima di sapere ciò che rappresenta effettivamente, prima che si scoprisse che si tratta solo di atomi e molecole che si agitano. Ora che sappiamo di più e che abbiamo l'opportunità di correggerlo, dovremmo farlo”.

Nel perseguire questo obiettivo, de Podesta e colleghi della Cranfield University, che ha sede in Inghilterra, insieme con lo Scottish Universities Environmental Research Center ha impiegato gli ultimi cinque anni a costruire e perfezionare il termometro. Tecnicamente si tratta di un “risonatore acustico”, cioè di una cavità che vibra cn una propria frequenza caratteristica in risposta a un'onda acustica.

Confrontando questa risonanza sonora con il raggio del contenitore, misurato mediante microonde, de Podesta e il suo team possono determinare la velocità del suono all'interno della cavità piena di gas, e con essa la velocità media a cui si stanno muovendo le molecole di argon, che a sua volta è una misura di quanta energia cinetica possiedono. Facendo tutto questo e mantenendo anche la temperatura del risonatore costantemente a 273,16 kelvin, in corrispondenza del punto triplo dell'acqua, de Podesta e il suo gruppo hanno effettuato la misurazione della costante di Boltzmann più accurata mai ottenuta, stimandola in 1,38065156 (98) X 10-23 joule per grado kelvin (il “(98)” è una misura statistica del dubbio sulle due precedenti cifre e corrisponde a un'incertezza di 0,7 parti per milione). I risultati del gruppo sono stati pubblicati sul numero dell'11 luglio della rivista “Metrologia”.

“Questo valore ci dice quanto la variazione di energia corrisponde a un cambiamento di temperatura di un grado”, spiega de Podesta. “Speriamo che infine grazie a un accordo internazionale le nostre misurazioni e altre fisseranno la costante di Boltzmann come un certo numero di joule per grado kelvin.”

Richard Davis, metrologo ed ex funzionario di alto livello dell'International Bureau of Weights and Measures di Sèvres, in Francia, sottolinea che sono in corso più ampi sforzi di ricerca per legare altre unità metriche alle costanti fiische fondamentali invece che ad arbitrari oggetti fisici o a materiali, e sostiene che le ridefinizioni potrebbero essere adottate in modo ufficiale già nel 2014. “Il metro veniva definito tramite il metro-campione, una sbarra di platino-iridio conservato qui in Francia, ma a partire dagli anni ottanta è stato definito come la velocità della luce nel vuoto in una specifica frazione di secondo”, spiega. “In sostanza, abbiamo determinato quella frazione di secondo per mantenere invariato il metro. Presto seguirà la ridefinizione del chilogrammo, del kelvin, dell'ampere e di altre unità. Ma siccome queste stesse unità non stanno cambiando, si tratterà di cambiamenti invisibili per quasi chiunque eccetto che per quelli che stanno lavorando ai più alti livelli di accuratezza”.

Prima che avvenga una qualunque ridefinizione ufficiale al kelvin, però, tutti dovrebbero essere d'accordo sull'accuratezza della costante di Boltzmann misurata da de Podesta e dai suoi collaboratori. Gruppi di ricerca negli Stati Uniti, Cina, Francia, Italia e Germania hanno progetti per misurare la costante. In particolare, nel 2010 Laurent Pitre del Laboratorio nazionale di metrologia francese, utilizzando sempre un risonatore acustico riempito di argon, aveva annunciato una misurazione di Boltzmann con un'incertezza associata di 1,24 ppm, ovvero 0,54 ppm più grande rispetto a quella di de Podesta. La differenza significativa nell'incertezza tra queste misurazioni non è stata ancora appianata. E Pitre si è rifiutato di discutere i suoi risultati per questo articolo.

Michael Moldover, metrologo del National Institute of Standards and Technology di Gaithersburg, nel Maryland, che ha effettuato le prime pionieristiche misurazioni del risonatore acustico della costante di Boltzmann nel 1988, elogia sia il lavoro di de Podesta sia quello di Pitre, ma ritiene che la competizione tra i due gruppi sia ora d'intralcio al progresso scientifico. Nel frattempo, la comunità dei metrologi continuerà il suo scrupoloso lavoro, appianando la più piccola incertezza delle loro osservazioni più precise, portand gli standard con cui viene misurato il nostro mondo sempre più vicine a un elusivo, e irraggiungibile, ideale.

La termometria acustica del gruppo di de Podesta potrebbe trovare presto applicazioni pratiche, per esempio nella rivelazione di impurità nei gas naturali. Ma il ricercatore ammette che le frontiere di questa ricerca per ora sono andate molto al di là delle necessità pratiche della vita quotidiana per entrare nel nobile dominio dell'estetica. “Mi piace pensare che si tratti di un bellissimo ed elegante regalo per il futuro, che le persone rivaluteranno e apprezzeranno tra 100 anni”, spiega.


http://www.lescienze.it/news/2013/0...ratura-1744866/

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