Cosa sono gli orologi atomici?

Orologi atomici. Suonano quasi come qualcosa uscito dalla fantascienza, o un esperimento confinato in un laboratorio di fisica d'élite, ma in realtà sono in circolazione dagli anni '50 in una forma o nell'altra

Orologi atomici. Suonano quasi come qualcosa uscito dalla fantascienza, o un esperimento confinato in un laboratorio di fisica d’élite, ma in realtà sono in circolazione dagli anni ’50 in una forma o nell’altra. Possono avere le dimensioni di un armadio e sono costituiti da una massa intrecciata di acciaio inossidabile, laser, fili e cavi, il tutto collegato a una camera a vuoto.

In scala minuscola, un orologio atomico impiega gli stessi processi fondamentali di un orologio a pendolo o di un orologio da polso: offre un fenomeno periodico che puoi contare. Mentre il pendolo di un orologio oscilla avanti e indietro e un pezzo di quarzo a forma di diapason oscilla con una corrente elettrica in un orologio, in un orologio atomico  si contano le oscillazioni periodiche degli elettroni mentre saltano tra i livelli di energia.

Oggi, il cronometraggio squisitamente preciso degli orologi atomici viene utilizzato per misurare il tempo e le distanze tramite sistema di posizionamento globale (GPS), comunicazioni online in tutto il mondo, frazioni di secondo nel trading di azioni e gare a tempo alle Olimpiadi. Ma gli scienziati hanno sviluppato orologi atomici ancora più avanzati che potrebbero rivelare di più sui misteri dell’universo, come la materia oscura.

Ecco come funzionano gli orologi atomici e perché non possiamo immaginare un mondo (o scoperte future sul nostro universo) senza di loro.

Una breve storia

Dopo l’avvento della fisica atomica, gli scienziati hanno sviluppato un modo per far passare gli atomi di cesio attraverso le onde radio e poi le microonde, una forma di radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. In questa prima forma dell’orologio atomico, la scossa di energia della radiazione faceva saltare gli elettroni negli atomi avanti e indietro tra i livelli di energia, o orbite, attorno al nucleo dell’atomo. Poiché gli atomi di un singolo elemento rispondono solo a una frequenza specifica e unica (il numero di onde che passano da un punto nello spazio in una determinata quantità di tempo), gli scienziati possono misurare questa frequenza per ottenere una misurazione standard e accurata del tempo.

Il fatto che la differenza di energia tra queste orbite sia un valore così preciso e stabile è davvero l’ingrediente chiave per gli orologi atomici“, afferma Eric Burt, fisico dell’orologio atomico presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, in un post sul blog del 2019 sul sito web della NASA. “È il motivo per cui gli orologi atomici possono raggiungere un livello di prestazioni superiore agli orologi meccanici“.

L’orologio atomico al cesio del National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, nel Maryland, è così preciso che perderà un secondo in 100 milioni di anni.

L’orologio atomico più accurato di oggi, però, impiegherà circa 30 miliardi di anni per perdere un secondo. In confronto, gli orologi meccanici possono perdere diversi secondi al mese. Qual è lo scopo di un orologio con quel tipo di estrema precisione? Si possono realizzare esperimenti sbalorditivi che dimostrano i principi della relatività in modo sempre più accurato, come mantenere due orologi atomici a quote diverse e vedere che “ticchettano” a velocità diverse perché sperimentano diversi livelli di gravità. Inoltre, l’uso degli orologi atomici aprirà nuove strade alla ricerca, come lo studio della materia oscura esaminando i piccoli cambiamenti nelle onde gravitazionali.

Gli orologi atomici di oggi sono di livello superiore

Il fisico Jun Ye del NIST, dove gli scienziati hanno sviluppato il primo orologio atomico, sta lavorando a un tipo di design relativamente nuovo, l’orologio atomico ottico, in collaborazione con il Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) a Boulder, in Colorado. Invece di usare le microonde, la sua configurazione di laboratorio rilascia laser su una nuvola di centinaia di migliaia di atomi di stronzio superraffreddati. I laser mettono in moto oscillazioni quantistiche e tengono anche traccia dei salti di elettroni all’interno dell’atomo. I laser sono sintonizzati per corrispondere con precisione alla frequenza della luce emessa da un elettrone ogni volta che cambia i livelli di energia.

orologio atomico
Orologio atomico sperimentale di JILA basato su atomi di stronzio tenuti in un reticolo di luce laser. L’immagine è un composto di molte foto scattate con lunghi tempi di esposizione e altre tecniche per rendere più visibili i laser. – JILA

Quando il campo della ricerca sull’orologio atomico ottico era nuovo, ogni esperimento coinvolgeva un solo atomo. Tuttavia, più atomi producono un orologio molte volte più accurato, a causa delle strane proprietà della meccanica quantistica. Molti atomi che oscillano insieme sono simili a molti lanci di monete: più volte lanci una moneta, più ti avvicini alla media della probabilità complessiva corretta.

Puoi presumere che ogni atomo agisca come il pendolo di un orologio standard, dice Ye. “Vuoi che il tuo pendolo oscilli miliardi di volte al secondo“. Per garantire ulteriormente la sua precisione, il suo laboratorio ha costruito più orologi allo stronzio e ha anche confrontato il loro orologio a reticolo ottico con un altro orologio in un laboratorio a un miglio di distanza.

“Una delle prime tecnologie veramente quantistiche”

atomi di stronzio tenuti in sospensione per fare orologi atomici
Una serie di immagini degli atomi di stronzio che brillano nella camera a vuoto dai test dell’orologio atomico di Kolkowitz. Sulla sinistra c’è una singola sfera di 100.000 atomi. Verso destra ci sono le immagini degli atomi tenuti in una formazione reticolare, che formano più orologi. – GRUPPO KOLKOWITZ, UNIVERSITÀ DEL WISCONSIN-MADISON

Le persone sono entusiaste dello sviluppo di un computer quantistico, “tuttavia, gli orologi atomici sono una delle prime tecnologie veramente quantistiche“, afferma il fisico dell’Università del Wisconsin-Madison Shimon Kolkowitz. Mentre un laser è anche una tecnologia quantistica, un orologio atomico è il primo esempio del tipo di salto tecnologico che non sarebbe possibile senza una profonda comprensione della meccanica quantistica. La meccanica quantistica è lo studio della natura alla più piccola scala: atomi e particelle subatomiche.

Il gruppo di ricerca di Kolkowitz ha recentemente misurato le differenze tra gli orologi atomici a reticolo ottico, in cui gli atomi di stronzio sono stati separati in più orologi disposti in linea nella camera a vuoto. Con un orologio atomico, il laser potrebbe eccitare elettroni nello stesso numero di atomi per un decimo di secondo. Tuttavia, quando il laser colpisce due orologi contemporaneamente all’interno della camera a vuoto, il numero di atomi con elettroni eccitati rimane lo stesso tra i due orologi per un massimo di 26 secondi.

Lo stronzio è un candidato migliore per un orologio ottico rispetto al cesio, che manca di transizioni ottiche molto strette, dice Kolkowitz. “Il cesio ha solo un elettrone di valenza, mentre lo stronzio ne ha due. Ciò rende la struttura del livello dello stronzio più complicata e ricca e si traduce in transizioni ottiche estremamente strette che semplicemente non esistono nel cesio“.

La precisione degli orologi atomici sta migliorando a un ritmo “sbalorditivo”, afferma Ye. Il primo orologio atomico guadagnava o perdeva solo un secondo in trecento anni, un grande miglioramento rispetto agli orologi standard. I moderni cronometristi GPS sono un milione di volte più precisi di questo primo orologio. I migliori orologi atomici ottici odierni possono mantenere l’ora costante e precisa, molto più a lungo dell’età dell’universo, 13,8 miliardi di anni.

Come utilizziamo gli orologi atomici

Gli orologi atomici ora vengono persino utilizzati per definire in modo più accurato tutti i tipi di unità, non solo il tempo, ma anche la massa, la lunghezza, l’elettricità e altro, afferma Kolkowitz. Ad esempio, possiamo misurare un metro con la sola velocità della luce, che è scientificamente accettata come costante di 299.792.458 metri al secondo, e un orologio. Ora puoi misurare esattamente quanto è lungo un metro perché il tuo orologio atomico può registrare il tempo impiegato dalla luce per percorrere un metro, sottolinea Kolkowitz.

Diversi esperimenti che coinvolgono due orologi atomici sincronizzati hanno dimostrato che il tempo può cambiare a seconda delle forze gravitazionali. Nel 2010, due orologi atomici funzionavano fianco a fianco. Quindi, uno è stato sollevato di 33 centimetri e ha iniziato a correre più veloce. La frazione di diminuzione della gravità nell’orologio superiore ha rallentato il tempo rispetto all’orologio inferiore. Prove simili erano state fatte in precedenza, portando uno degli orologi atomici in alto sopra la Terra in un aeroplano. Tuttavia, questo test più recente ha dimostrato in modo sorprendentemente accurato che la forza di gravità influisce sulla velocità del tempo in un dato punto.

In termini di attività quotidiane che diamo per scontate, gli orologi atomici sono lo strumento sottostante.

Ad esempio, il GPS non sarebbe possibile senza la precisione degli orologi atomici. Una rete di 31 satelliti GPS in orbita attorno al nostro pianeta ci consente di spostarci in luoghi a migliaia di chilometri di distanza. Anche se può sembrare non intuitivo, i satelliti che forniscono segnali ai nostri ricevitori GPS, come le nostre auto e telefoni cellulari, stanno effettivamente vivendo il tempo in modo diverso rispetto a noi sulla Terra. Poiché sono più lontani dal centro della Terra, i satelliti sentono meno l’attrazione gravitazionale e sperimentano il tempo più velocemente, di 40 milionesimi di secondo al giorno. Se il nostro sistemi GPS non tenesse conto di questo effetto della relatività, ci porterebbero regolarmente diversi chilometri nella direzione sbagliata.

Tuttavia, la nostra rete GPS si basa su tecnologie sviluppate negli anni ’70 e ’80. Scienziati come Kokowitz e Ye vorrebbero vederlo aggiornato per sfruttare appieno la più recente tecnologia dell’orologio atomico ottico. Alcune parti d’Europa stanno già pianificando questa eventuale transizione, ma ci vorrà uno sforzo mondiale per fare un cambiamento efficace, afferma Ye.

Come useremo gli orologi atomici domani

I miglioramenti nella precisione del cronometraggio hanno reso gli orologi atomici così sensibili da permetterci di misurare le dilatazioni temporali più minute: cambiamenti nella crosta terrestre che potrebbero indicare tendenze geologiche, fornire avvisi anticipati di specifici cambiamenti climatici e rilevare la materia oscura e i cambiamenti nelle onde gravitazionali.

I progressi nella progettazione di orologi atomici ottici sempre più precisi stanno permettendo agli scienziati di intravedere l’intersezione tra il mondo microscopico della fisica quantistica e il mondo macroscopico della fisica gravitazionale. Ora possiamo misurare lo sfondo a onde gravitazionali dell’universo, usando array di temporizzazione pulsar super precisi. Allo stesso modo, le immagini che sono state scattate a un buco nero nel 2019 non sarebbero state possibili senza allineare accuratamente più radiotelescopi in diverse parti del mondo. Insieme, hanno agito come un unico telescopio delle dimensioni della Terra puntato al centro della galassia M87, a circa 53,5 milioni di anni luce di distanza.

Anche le iniziative futuristiche come i viaggi nello spazio sono diventate più fattibili. Quando si parla di navigazione su distanze astronomiche, qualsiasi piccolo ritardo nel calcolo del tempo può trasformarsi in un lungo viaggio nella direzione sbagliata. Con un orologio atomico, hai un livello molto alto di sicurezza di essere sempre diretto nella giusta direzione.

Le prestazioni di questi orologi sono strabilianti. E l’altra cosa che dirò è che continuano a migliorare… Non abbiamo nemmeno pensato a tutte le cose che possiamo fare con questi orologi mentre continuano a migliorare“, conclude Kolkowitz.

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