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Una storia lunga… un metro Marco Pisani. Lesigenza della misura (quantificazione delle cose del mondo) nasce con la civiltà quando inizia luomo a misurare?

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1 Una storia lunga… un metro Marco Pisani

2 Lesigenza della misura (quantificazione delle cose del mondo) nasce con la civiltà quando inizia luomo a misurare?

3 Quali sono le grandezze fondamentali delluomo antico? –Tempo –Peso –Lunghezza

4 Tempo Cosa è il tempo? Einstein: Le esperienze di un individuo ci appaiono disposte in una serie di eventi e in tale serie i singoli eventi che noi ricordiamo appaiono ordinati secondo il criterio di « prima» e « poi», criterio che non può essere ulteriormente analizzato. Per ogni individuo esiste pertanto un tempo individuale o soggettivo che non è in se stesso misurabile. Si può invero associare dei numeri agli eventi, in modo tale che fra due eventi quello posteriore sia caratterizzato dal numero maggiore; però la natura di questa associazione può essere del tutto arbitraria. La si può definire per mezzo di un orologio, paragonando lordine degli eventi da questo forniti con lordine di date serie di eventi. Per orologio si intende qualcosa che fornisce una serie di eventi numerabili...

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 dacqua, ecc…

6 Peso (o massa) Il peso è usato come indice della quantità di beni posseduti e scambiati Il peso è misurabile con strumenti semplici per confronto con campioni di peso

7 Campioni di peso 1500 a.C A.D.

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

9 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

10 Lo stato dellarte 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.

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13 Rinascimento e nascita della scienza moderna lUomo 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 dItalia

14 1632, Galileo inventa il metodo sperimentale che sarà alla base di tutta la scienza futura Per lesperimento del piano inclinato usa: –come unità di lunghezza braccia e dita –come unità di tempo gocce dacqua che colano da un serbatoio, contate per mezzo di una bilancia –in alternativa, le battute di polso fino alla decima parte

15 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

16 Esigenza di unità di misura universali: commercio e giustizia sociale Lo sviluppo dellindustria e del commercio nellevo moderno, rendono necessario un processo di unificazione Anche il popolo, oggetto di truffe e tasse, chiede un sistema di misura più oggettivo

17 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)

18 Possibili definizioni e scelta del nome

19 Precedenti 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)

20 Precedenti misure del diametro della terra tra il XVII e il XVIII secolo con il metodo della triangolazione Picard (1670) Cassini (1718) La Contamine (1745)

21 La triangolazione

22 A B base Il principio della triangolazione

23 La spedizione di Mechain & Delambre ( )

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25 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)

26 Nella seconda metà del XIX secolo nasce la spettroscopia la pia

27 Latomo di Bohr

28 Invenzione dellinterferometro: Young, Michelson, Fabry e Perot Linterferometro permette di confrontare uno spostamento con una lunghezza donda M1 M2 S l1l1 L osservatore l2l2 microscopio campione materiale M1 M2 S l1l1 L osservatore l2l2 Intensità I = I 0 (1 + cos (4 (l 1 -l 2 ) ))

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

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

31 Lorologio atomico Nel 1949 allNBS (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 dellammoniaca Nel 1955 viene costruito allNPL (National Physical Laboratory, UK) il primo orologio atomico basato sullinterazione 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 dellatomo di cesio 133

32 Spazio e tempo, e … e c La radiazione elettromagnetica (luce, microonde) è caratterizzata da una lunghezza donda, 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?

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

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

35 La catena di misura 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

36 Misura della velocità della luce 1972 Misura della frequenza di un campione ottico di lunghezza donda 1982

37 Gli uomini che hanno misurato la velocità della luce J. Hall Nobel 2005 Ken Evenson

38 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 nellincertezza della misura di c, il contributo dovuto al metro era circa mentre quello dovuto al secondo era circa

39 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.

40 Laser a femtosecondi e frequency combs T. Hänsch, Nobel 2005 Basato su un laser che emette impulsi di luce brevissimi con frequenza di ripetizione f r, il pettine di frequenza genera tante radiazioni a frequenza multipla di f r

41 Realizzazione del metro con il frequency comb (o realizzazione di un campione di tempo ottico): la lunga storia è finita?

42 È finita…


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