E’ il 1971. Due astronomi americani Richard Keating e Joseph Hafele decidono di programmare un esperimento per indagare gli strani effetti sulla dilatazione del tempo previsti circa sessanta anni prima da Albert Einstein.

I due si procurano tre orologi atomici, che sincronizzano tra loro. Orologi cosi precisi da non sfasare più di un miliardesimo di secondo in milioni di anni.
Quando si dice orologi molto affidabili!

Hafele e Keating non hanno più molte risorse e quindi vanno in un aeroporto e ne lasciano uno in una sala d’attesa, poi comprano dei biglietti, due, uno per ciascuno degli orologi rimasti su voli commerciali.

Uno dei voli commerciali vola verso est e l’altro verso ovest e dopo aver circumnavigato il globo sarebbero tornati allo scalo di partenza ricongiungendosi con l’orologio sincronizzato rimasto sulla Terra.

Poiché la Terra ruota su se stessa in direzione est, volare verso est o verso ovest produce una lieve differenza nella velocità relativa dei diversi aerei.
Il senso comune avrebbe voluto che al ritorno del viaggio intorno al mondo i 3 orologi fossero ancora sincronizzati, d’altra parte un secondo è sempre un secondo, o no?

Einstein la pensava diversamente.

Ed i due astronomi diventati famosi per questo esperimento ne hanno la conferma appena gli aerei atterrano nell’aeroporto di partenza.

I tre orologi non sono più sincronizzati.

L’orologio che aveva viaggiato verso est era indietro di 59 miliardesimi di secondo rispetto all’orologio rimasto a terra, mentre quello che aveva viaggiato verso ovest era avanti di 273 miliardesimi di secondo.

Se i tre orologi fossero rimasti gli uni vicini agli altri per produrre un simile sfasamento ci sarebbero voluti più di 300 milioni di anni.

Hafele e Keating avevano dimostrato che le ragioni di un simile scarto erano due, entrambe dovute alle predizioni di Einstein.

La prima predizione legata alla relatività ristretta o speciale asseriva che le velocità relative dei tre orologi avrebbero dovuto produrre delle lievissime (ma misurabili) sfasature temporali.

La seconda ragione apparteneva invece agli effetti indotti dalla gravità (teoria della relatività generale), l’effetto della Terra sullo spaziotempo sarebbe stato più pronunciato sulla superficie terrestre che alle altitudini a cui avevano volato gli aerei.

Il combinato disposto di queste due predizioni di Einstein furono calcolati prima che Hafele e Keating effettuassero il loro esperimento. E poi sommati.

Il calcolo teorico fatto prima dell’esperimento prevedeva che l’orologio che volava verso est sarebbe dovuto risultare indietro per non più di 60 miliardesimi di secondo (e risultò al termine dell’esperimento di 59 miliardesimi) e quello che volava verso ovest sarebbe dovuto essere avanti di circa 275 miliardesimi di secondo (e risultò di 273 miliardesimi).

Einstein, ancora una volta, aveva avuto ragione.

Quando si tratta di trasferimento e calcolo dei dati, più velocemente possiamo spostare gli elettroni e condurre l’elettricità, meglio è, e gli scienziati sono appena stati in grado di trasportare elettroni a velocità inferiori al femtosecondo (meno di un quadrilionesimo di secondo) in una configurazione sperimentale.

Il trucco sta nel manipolare gli elettroni con onde luminose appositamente realizzate e prodotte da un laser ultraveloce. Potrebbe passare molto tempo prima che questo tipo di tecnologia arrivi sul tuo laptop, ma il fatto che l’abbiano fatto promette un significativo passo avanti in termini di ciò che possiamo aspettarci in futuro dai nostri dispositivi.

Al momento, i componenti elettronici più veloci possono essere accesi o spenti in picosecondi (trilioni di secondo), circa 1.000 volte più lenti di un femtosecondo.

Con il loro nuovo metodo, i fisici sono stati in grado di commutare correnti elettriche a circa 600 attosecondi (un femtosecondo corrisponde 1.000 attosecondi).

“Questo potrebbe essere il lontano futuro dell’elettronica“, afferma il fisico Alfred Leitenstorfer dell’Università di Costanza in Germania. “I nostri esperimenti con impulsi di luce a ciclo singolo ci hanno portato benissimo nel raggio di attosecondi del trasporto di elettroni“.

Leitenstorfer e i suoi colleghi sono stati in grado di costruire una configurazione precisa presso il Center for Applied Photonics di Costanza. I loro macchinari potevano sia manipolare accuratamente gli impulsi luminosi ultracorti, sia costruire le nanostrutture necessarie.

Il laser utilizzato dal team è stato in grado di emettere cento milioni di impulsi di luce a ciclo singolo ogni singolo secondo al fine di generare una corrente misurabile. Utilizzando antenne d’oro su scala nanometrica a forma di papillon, il campo elettrico dell’impulso è stato concentrato in uno spazio largo appena sei nanometri (seimila milionesimi di metro).

Come risultato della loro configurazione specialistica, del tunneling elettronico e dell’accelerazione prodotta, i ricercatori hanno potuto commutare correnti elettriche ben al di sotto di un femtosecondo – meno di mezzo periodo di oscillazione del campo elettrico degli impulsi luminosi.

Andare oltre le restrizioni della convenzionale tecnologia dei semiconduttori al silicio si è dimostrata una sfida per gli scienziati, ma l’uso delle oscillazioni follemente veloci della luce per aiutare gli elettroni a guadagnare velocità potrebbe aprire nuove strade per spingere i limiti dell’elettronica.

E questo è qualcosa che potrebbe essere molto vantaggioso nella prossima generazione di computer: gli scienziati stanno attualmente sperimentando il modo in cui luce ed elettronica potrebbero lavorare insieme in varie modalità.

Alla fine, Leitenstorfer e il suo team ritengono che i limiti dei sistemi informatici di oggi potrebbero essere superati usando nanoparticelle plasmoniche e dispositivi optoelettronici, utilizzando le caratteristiche degli impulsi luminosi per manipolare gli elettroni su scale super-piccole.

“Questa è la ricerca di base di cui stiamo parlando qui e potrebbe richiedere decenni per essere implementata“,  afferma Leitenstorfer.

Il prossimo passo è sperimentare una varietà di configurazioni diverse usando lo stesso principio. Questo approccio potrebbe anche offrire approfondimenti sull’informatica quantistica, affermano i ricercatori, anche se c’è ancora molto lavoro da fare.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.

Nel 1912 Einstein ebbe l’intuizione che poi sfociò nella teoria della relatività generale ovvero che le masse pesanti incurvano il tempo e che questa curvatura è responsabile della gravità. E calcolò una formula molto precisa per descrivere questo fenomeno.

Tanto più forte è il rallentamento del tempo tanto più marcata è l’attrazione gravitazionale. Sul nostro pianeta il tempo rallenta solo di qualche microsecondo (milionesimo di secondo) al giorno, l’attrazione gravitazionale è modesta. Sulla superficie di una stella di neutroni, dove il tempo rallenta di qualche ora al giorno, l’attrazione gravitazionale è enorme. E sulla superficie di un buco nero, dove il tempo rallenta fino a fermarsi, la gravità è talmente gigantesca che nulla può sfuggirle, neppure la luce.

La cosa straordinaria è che Einstein predisse questo fenomeno in un’epoca dove la tecnologia umana non era in grado di produrre una verifica sperimentale di questa teoria. Ci vollero quasi 50 anni per il primo esperimento che dimostrò l’esattezza delle predizioni del geniale fisico tedesco.

La prima verifica affidabile venne, infatti, effettuata nel 1959, quando Bob Pound e Glen Rebca usarono una nuova tecnica chiamata effetto Mössbauer per confrontare la velocità dello scorrere del tempo alla base di una torre dell’Università di Harvard alta 22,3 metri con quella della sua sommità. La differenza temporale rilevata ad una distanza di poco più di 22 metri era pari a 0,0000000000016 secondi (1,6 picosecondi, ossia millesimi di miliardesimi di secondo). La differenza da loro riscontrata superava di 130 volte questa accuratezza ed era in totale accordo con la legge di Einstein: il tempo scorre più lentamente alla base della torre, rispetto a quanto avvenga in cima, di 210 picosecondi al giorno.

La precisione di questa misurazione progredì nel 1976 quando Robert Vessot di Harvard posizionò un orologio atomico su un razzo della NASA che salì a 10.000 chilometri di altitudine, e usò i segnali radio per confrontare la velocità del suo ticchettio con quella degli orologi a terra. Vessot osservò così che il tempo a terra scorre più lentamente che a 10.000 chilometri di altitudine di circa 30 microsecondi (0,00003 secondi) al giorno. Ovviamente anche questa misurazione confortava la predizione di Einstein.

La consapevolezza scientifica del diverso scorrere del tempo in base alla vicinanza di un oggetto massivo ha avuto influenze concrete nella vita quotidiana di tutti noi. L’esempio più classico che si fa a questo proposito è il sistema GPS che permette ai nostri smartphone di informarci su dove ci troviamo con un margine di errore di soli 10 metri.

Il sistema si basa sui segnali radio di 27 satelliti che orbitano ad un’altitudine di circa 20.000 km. L’insieme dei satelliti visibili contemporaneamente da un punto specifico della Terra varia da un minimo di quattro ad un massimo di dodici. Ogni segnale radio proveniente da un satellite visibile comunica al nostro smartphone la posizione del satellite stesso e l’orario in cui il segnale è stato trasmesso. Lo smartphone misura l’orario di arrivo del segnale e lo confronta con quello della sua trasmissione, calcolando così la distanza da esso percorsa (ossia, la propria distanza dal satellite); quindi, conoscendo le posizioni e le distanze di diversi satelliti, può ricavare tramite triangolazione la propria posizione.

E qui entra in ballo la teoria della relatività generale di Einstein. Infatti all’altitudine di 20.000 km nel quale orbitano i 27 satelliti del sistema GPS il tempo scorre più rapidamente rispetto alla Terra di 40 microsecondi al giorno, e i satelliti devono pertanto apportare le necessarie correzioni: misurano l’orario con i propri orologi e, prima di trasmetterlo ai nostri smartphone, lo correggono tenendo conto del rallentamento del tempo sulla Terra.

Questa però non è l’unica applicazione tecnologica della teoria della relatività generale i suoi postulati sono entrati anche nel laser, nell’energia nucleare e nella crittografia quantistica.