La complicata storia del metro

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Barbara Palumbo
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1 La complicata storia del metro Marco Pisani IN-FORMAZIONE E PRATICA EDUCATIVA DELLA METROLOGIA Ottobre 2013

2 Sommario Un po di storia Definizione del metro Misurare con la luce Incertezza: qualche concetto

3 quando inizia l uomo a misurare? L esigenza della misura (quantificazione delle cose del mondo) nasce con la civiltà

4 Quali sono le grandezze fondamentali dell uomo antico? Tempo Peso Lunghezza

5 Misura del tempo Eventi periodici e regolari sono disponibili in natura Rotazione della Terra Rivoluzione della luna Rivoluzione intorno al sole Battito cardiaco Goccia d acqua, ecc

6 Campioni di peso 2005 A.D a.c.

7 Lunghezza È un concetto elementare, fisico, che ha diverse possibili manifestazioni :

8 Unità di lunghezza Sono facilmente riferibili a parti del corpo Braccia, piedi, dita multipli e sottomultipli per le dimensioni geometriche Passi, e multipli per la distanza Giornate (o frazioni) di cammino per le grandi distanze

le dimensioni geometriche Passi, e multipli per la

9 Lo stato dell arte delle unità di lunghezza, dalla preistoria al 1790 Le unità variano per: Categoria (lunghezza, area, volume) Dimensioni (pollici, piedi, yarde, ) Area geografica Epoca Tipo di merce (stoffa, seta, panni ) per i pesi è ancora peggio.

volume) Dimensioni (pollici, piedi, yarde, ) Area geografica

12 Rinascimento e nascita della scienza moderna l Uomo è in grado di capire e modellare gli eventi della natura La titolarità della conoscenza della natura passa dai filosofi agli artigiani Leonardo da Vinci, il più grande degli artigiani, è conteso e ammirato dalle più illuminate corti d Italia

natura passa dai filosofi agli artigiani Leonardo da Vinci, il più grande

13 1632, Galileo inventa il metodo sperimentale che sarà alla base di tutta la scienza futura

14 Galileo e il metodo sperimentale osservazione ipotesi Verifica sperimentale Legge Misura

15 Per l esperimento del piano inclinato usa: come unità di lunghezza braccia e dita come unità di tempo gocce d acqua che colano da un serbatoio, contate per mezzo di una bilancia in alternativa, le battute di polso fino alla decima parte

che colano da un serbatoio, contate per mezzo di una

16 Scienza moderna e progresso Esigenze dell uomo Progresso Scienza Misura

17 Conoscenza Misura When you can measure what your are speaking aboutand express it in numbers you know something about it; but when you cannot measure it, when you cannot expressit in numbers, your knowledge is of a meagre and unsatisfactory kind. Lord Kelvin (1883)

when you cannot measure it, when you cannot expressit in numbers,

18 Il mondo scientifico preme per la realizzazione di un sistema universale Huyghens, 1657, propone di definire un unità di misura semplice univoca e riproducibile Picard, 1670, propone di di basare le unità di misura su fenomeni fisici universali. Propone di utilizzare come unità di lunghezza, quella del pendolo che batte il secondo Newton, 1672, propone di utilizzare la luce per misurare le lunghezze

unità di misura su fenomeni fisici universali.

19 Esigenza di unità di misura universali: commercio e giustizia sociale Lo sviluppo dell industria e del commercio nell evo moderno, rendono necessario un processo di unificazione Anche il popolo, oggetto di truffe e tasse, chiede un sistema di misura più oggettivo

moderno, rendono necessario un processo di unificazione Anche il

20 Illuminismo e rivoluzione francese Si vuole cambiare il mondo in meglio, dare giustizia ed equità sotto tutti gli aspetti incluse le unità di misura Si decide di costruire da zero un sistema universale delle unità di misura (pesi e misure)

aspetti incluse le unità di misura Si decide di costruire

21 Sistema di unità di misura Universali Pratiche Stabili Riproducibili

22 Possibili definizioni e scelta del nome

23 Antiche misure del diametro della terra Pitagora ( ): dimostra che la terra è una sfera Eratostene ( ): 1 a misura del meridiano (sole) Posidonio (135-51): 2 a misura del meridiano (stelle)

24 Misure del diametro della terra tra il XVII e il XVIII secolo con il metodo della triangolazione Picard (1670) Parigi Giovanni e Jaques Cassini (1718 e 1740) Parigi La Contamine (1745) Perù

25 La triangolazione

26 Il principio della triangolazione 21 B 6 base A

27 La spedizione di Mechain & Delambre ( )

29 Infanzia del metro Nel 1799 viene depositato negli Archivi di Francia il metro definitivo Effetto Napoleone, legge del 1800 La Convenzione del metro a CGPM e la definizione del 1889 (fine del Meridiano)

30 Nella seconda metà del XIX secolo nasce la spettroscopia

31 L atomo di Bohr

32 Invenzione dell interferometro: Young, Michelson, Fabry e Perot L interferometro permette di confrontare uno spostamento con una lunghezza d onda M1 l 1 L M2 S l 2 microscopio osservatore campione materiale

33 Michelson interferometer Intensità I = I 0 (1 + cos (4 (l 1 -l 2 ) ))

34 Definizione ottica del metro Nel 1960, la 11 ma Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure stabilisce che: Il metro è la lunghezza uguale a ,73 lunghezze d onda in vuoto della radiazione corrispondente alla transizione tra i livelli 2p 10 e 5d 5 dell atomo di kripton 86

35 Nel 1960 nasce anche il primo laser Il laser è una sorgente di luce coerente e monocromatica: la sorgente ideale per un interferometro

36 L orologio atomico Nel 1949 all NBS (National Bureau of Standards, USA) viene costruito il primo orologio atomico consistente in un oscillatore a microonde la cui frequenza viene mantenuta in coincidenza con la frequenza di una riga di assorbimento dell ammoniaca Nel 1955 viene costruito all NPL (National Physical Laboratory, UK) il primo orologio atomico basato sull interazione della microonda con un fascio di cesio Nel 1967 la 13 ma Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure stabilisce che: Il secondo è la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell atomo di cesio 133

37 Spazio e tempo, e e c La radiazione elettromagnetica (luce, microonde) è caratterizzata da una lunghezza d onda, da una frequenza e da una velocità c legate dalle relazioni: = c /, = c /, c = Dato per assodato che c è una costante universale, parlare di o di di una radiazione elettromagnetica è equivalente Sia il secondo che il metro sono basati su una radiazione agganciata a una transizione atomica, cesio e krypton Per misurare c è sufficiente misurare e della stessa radiazione Perché non misuriamo c?

38 Perché è molto difficile Fizeau (1849): 1 a misura terrestre della velocità della luce

39 La misura di frequenza di un campione ottico: il punto di incontro di due mondi separati Radio-onde (s) Radiotecnica Elettronica Luce visibile (m) Ottica Spettroscopia Interferometria Catena di sintesi di frequenza

40 La catena di misura RF oscillator non-linear element mixer 1 2 n counter n 1 2 n f laser oscillator Si misura la frequenza di battimento B tra la n-esima armonica della micro-onda a frequenza 1 (nota) e la frequenza della luce del laser 2 (incognita). 2 = n 1 ± B

41 Misura della velocità della luce 1972 Misura della frequenza di un campione ottico di lunghezza d onda 1982

42 Definizione temporale del metro nel 1983, la 17 ma Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure stabilisce che: Il metro è la lunghezza del cammino percorso dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1/ di secondo Perché il metro e non il secondo? Perché nell incertezza della misura di c, il contributo dovuto al metro era circa 10-9 mentre quello dovuto al secondo era circa 10-13

43 Mise en pratique Come per la definizione del 1793, quella del 1983 è poco pratica anzi quasi impossibile È necessario un campione materiale La mise en pratique definisce le regole pratiche per la realizzazione del metro in base a frequenze raccomandate Le misure di lunghezza si fanno per mezzo di interferometri che utilizzano laser campione cioè la cui frequenza è stata misurata.

44 Errori di misura e stima dell incertezza un po di definizioni e di concetti

45 Importanza del concetto di incertezza

46 Perché è importante conoscere l incertezza L incertezza indica un dubbio sul risultato della misura L incertezza (di misura) è il parametro associato al risultato di una misurazione, che caratterizza la dispersione dei valori ragionevolmente attribuiti al misurando (GUM, Guide to the expression of uncertainty in measurement)

47 La distribuzione standard (gaussiana)

48 Che incertezza ci serve? È importante fin dall inizio avere in mente che livello di incertezza è necessario per una data misura. Ciò ci permetterà di individuare subito quali sono gli aspetti critici della nostra misura e quali invece possono essere trascurati.

49 Classe di incertezza di diversi strumenti STRUMENTO Riproducibilità/incertezza Interferometro laser 10-8 Blocchetti piano-paralleli (Johansson) 10-7 Regolo a tratti 10-7 Riga ottica 10-6 Micrometro (Palmer) Calibro Riga graduata Metro da sarta o da muratore 10-3 Spanna 10-1

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