Tutti hanno bisogno di sapere l’ora. Da quando l’inventore olandese del XVII secolo Christiaan Huygens realizzò il primo orologio a pendolo, le persone hanno pensato ad alcuni buoni motivi per misurare il tempo in modo più preciso.
Trovare il momento giusto è importante in tanti modi, dalla gestione di una ferrovia al fare scambi in millisecondi sul mercato azionario. Ora, per la maggior parte di noi, i nostri orologi si confrontano con un segnale proveniente da orologi atomici, come quelli a bordo dei satelliti del sistema di posizionamento globale (GPS).
Ma un recente studio di due team di scienziati a Boulder, in Colorado, potrebbe portarci a migliorare quei segnali per renderli molto più accurati, aprendo la strada che ci permette di ridefinire efficacemente il secondo in modo più preciso. Gli orologi atomici potrebbero diventare così precisi, infatti, che potremmo iniziare a misurare onde gravitazionali precedentemente impercettibili.
Breve storia del tempo
Gli orologi moderni usano ancora l’idea di base di Huygens di un oscillatore con una risonanza – come un pendolo di una lunghezza fissa che si muoverà sempre avanti e indietro con la stessa frequenza. Questa idea è stata notevolmente migliorata nel XVIII secolo da John Harrison, il quale si rese conto che gli oscillatori più piccoli e ad alta frequenza hanno risonanze più stabili e pure, rendendo i clock più affidabili.
Al giorno d’oggi, la maggior parte degli orologi di tutti i giorni utilizza un minuscolo pezzo di cristallo di quarzo a forma di diapason musicale in miniatura, con frequenza e stabilità molto elevate.
La grande differenza in questi giorni è il modo in cui controlliamo – o “discipliniamo” – gli orologi al quarzo. Fino al 1955, dovevi continuare a correggere il tuo orologio confrontandolo con un fenomeno astronomico molto regolare, come il Sole o le lune di Giove. Ora discipliniamo gli orologi contro le oscillazioni naturali all’interno degli atomi.
L’orologio atomico fu costruito per la prima volta da Louis Essen. È stato utilizzato per ridefinire il secondo nel 1967, una definizione che da allora è rimasta la stessa.
Funziona contando la frequenza di inversione di una proprietà quantistica chiamata spin negli elettroni negli atomi di cesio. Questa risonanza atomica naturale è così forte che puoi dire se il segnale del tuo orologio a cristalli di quarzo si sposta in frequenza di meno di una parte su 10¹⁵, ovvero un milionesimo di miliardesimo. Un secondo è ufficialmente definito come 9.192.631.770 giri di spin dell’elettrone al cesio.
Il fatto di poter realizzare oscillatori così accuratamente disciplinati rende la frequenza e il tempo le misurazioni più precise di tutte le grandezze fisiche. Inviamo segnali da orologi atomici in tutto il mondo e nello spazio tramite GPS. Chiunque abbia un ricevitore GPS nel proprio telefono ha accesso a un dispositivo di misurazione del tempo sorprendentemente preciso.
Se puoi misurare il tempo e la frequenza con precisione, allora ci saranno altre cose che puoi misurare con altrettanta precisione. Ad esempio, misurare la frequenza di rotazione dello spin di alcuni atomi e molecole può dirti la forza del campo magnetico che sperimentano, quindi se riesci a trovare la frequenza con precisione, allora hai anche trovato precisamente l’intensità del campo. I sensori di campo magnetico più piccoli possibili funzionano in questo modo.
Ma possiamo creare orologi migliori che ci permettano di misurare la frequenza o il tempo in modo ancora più preciso? La risposta potrebbe essere ancora, come ha scoperto John Harrison, aumentare la frequenza.
La risonanza spin flip al cesio ha una frequenza corrispondente alle microonde, ma alcuni atomi hanno risonanze piacevoli e acute per la luce ottica, un milione di volte più alte in frequenza. Gli orologi atomici ottici hanno mostrato confronti estremamente stabili tra loro, almeno quando un paio di essi è posizionato a pochi metri di distanza.
Gli scienziati stanno pensando se la definizione internazionale del secondo potrebbe essere ridefinita per renderla più precisa. Ma per ottenere ciò, è necessario considerare attendibili i diversi orologi ottici che utilizzeremmo per segnare l’ora con precisione per leggere la stessa ora anche se si trovano in laboratori diversi a migliaia di Km di distanza. Finora, tali test a lunga distanza non sono stati molto migliori di quelli per gli orologi a microonde.
Orologi migliori
Ora, utilizzando un nuovo modo per collegare gli orologi con laser ultraveloci, i ricercatori hanno dimostrato che diversi tipi di orologi atomici ottici possono essere posizionati a pochi chilometri di distanza e concordano comunque entro 1 parte su 10¹⁸.
Gli autori del nuovo studio hanno confrontato più orologi basati su diversi tipi di atomi: itterbio, alluminio e stronzio. L’orologio allo stronzio era situato nell’Università del Colorado e gli altri due erano nell’Istituto nazionale di standard e tecnologia degli Stati Uniti.
Lo studio ha collegato gli orologi con un raggio laser nell’aria per oltre 1,5 km da un edificio all’altro, e questo collegamento si è dimostrato valido quanto una cavo in fibra ottica che passa sotto la strada, nonostante la turbolenza dell’aria.
Ma perché abbiamo bisogno di orologi così precisi? Sebbene gli atomi dell’orologio dovrebbero essere esattamente gli stessi ovunque si trovi l’orologio e per chiunque lo guardi, possono apparire piccole differenze utili quando le misurazioni del tempo sono così precise.
Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, la gravità distorce lo spazio-tempo e possiamo misurare questa distorsione. Gli orologi ottici sono già stati utilizzati per rilevare la differenza nel campo gravitazionale terrestre spostandosi di appena un centimetro in altezza.
Con orologi più precisi, forse potresti percepire lo scorrimento nello stress della crosta terrestre e prevedere le eruzioni vulcaniche. Sono state osservate onde gravitazionali prodotte da lontane fusioni di buchi neri: forse ora saremo in grado di rilevare onde molto più deboli da eventi meno cataclismici utilizzando una coppia di satelliti con orologi ottici.
Autore
Ben Murdin, University of Surre
