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Un nuovo orologio atomico mostra come la gravità deforma il tempo, anche su piccole distanze

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La forza di gravità tratta il tempo come una gomma. Più forte è la sua forza, più la gravità allunga il tempo, facendolo passare più lentamente. Utilizzando un nuovo orologio atomico, gli scienziati hanno ora misurato questo rallentamento del tempo sulla distanza più breve mai vista: solo un millimetro.

La teoria della relatività generale di Albert Einstein prevede che dove la gravità è più forte, il tempo scorre più lentamente. Questa si chiama dilatazione del tempo. La gravità è più forte vicino al centro della Terra. Quindi, secondo Einstein, il tempo dovrebbe passare più lentamente più vicino al suolo (e gli esperimenti lo hanno confermato).

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Jun Ye ha guidato il gruppo di ricerca che ora mostra come questo regga anche su distanze super brevi. È un fisico al JILA di Boulder, Colorado (quell’istituto era un tempo noto come Joint Institute for Laboratory Astrophysics). È gestito dall’Università del Colorado e dal National Institute of Standards and Technology.

La capacità del nuovo orologio di percepire piccoli cambiamenti di gravità lo rende uno strumento potente. Potrebbe aiutare a monitorare il cambiamento climatico. Potrebbe anche aiutare a prevedere le eruzioni vulcaniche, persino mappare la Terra. E il suo design apre la strada a orologi atomici ancora più super precisi, affermano i suoi creatori. Tali orologi potrebbero aiutare a risolvere i misteri fondamentali dell’universo.

Ye ei suoi colleghi hanno descritto le loro scoperte su Nature.

L’orologio

Il nuovo orologio atomico è “un grande sistema disperso con molti componenti diversi“, afferma Alexander Aeppli. È uno studente laureato nel team di Ye all’Università del Colorado. In tutto, il nuovo orologio si estende su due stanze e contiene specchi, camere a vuoto e otto laser.

Tutti gli orologi hanno tre parti principali. Il primo è qualcosa che va avanti e indietro, o oscilla. Poi, c’è un contatore che tiene traccia del numero di oscillazioni (quel conteggio sempre crescente fa avanzare l’ora mostrata sull’orologio). Infine, c’è un riferimento con cui è possibile confrontare il cronometraggio dell’orologio. Tale riferimento fornisce un modo per verificare se l’orologio è troppo veloce o troppo lento.

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Un orologio a pendolo è un modo utile per immaginare come tutte queste parti lavorano insieme, afferma Aeppli. Ha un pendolo che oscilla avanti e indietro, o oscilla, a intervalli regolari, una volta al secondo. Dopo ogni oscillazione, un contatore sposta in avanti la lancetta dei secondi dell’orologio. Dopo sessanta oscillazioni, il contatore sposta in avanti la lancetta dei minuti. E così via. Storicamente, la posizione del sole a mezzogiorno serviva da riferimento per garantire che questi orologi funzionassero.

Un orologio atomico ha le stesse tre componenti, ma sono di dimensioni molto diverse“, spiega Aeppli. Le sue oscillazioni sono fornite da un laser. Quel laser ha un campo elettrico che scorre avanti e indietro in modo incredibilmente veloce – in questo caso, 429 trilioni di volte al secondo. È troppo veloce perché l’elettronica possa contare. Quindi, gli orologi atomici utilizzano uno speciale dispositivo basato su laser chiamato pettine di frequenza come contatore.

Poiché il laser a ticchettio veloce di un orologio atomico divide il tempo in intervalli così piccoli, può tracciare il passare del tempo in modo estremamente preciso. Un cronometrista così preciso richiede un riferimento super preciso. E nel nuovo orologio atomico, quel riferimento è il comportamento degli atomi.

Nel cuore dell’orologio c’è una nuvola di 100.000 atomi di stronzio. Sono impilati verticalmente e tenuti in posizione da un altro laser. Quel laser raffredda efficacemente gli atomi di stronzio in melassa ottica, una nuvola di atomi che sono quasi completamente congelati sul posto. Il laser principale dell’orologio (quello che oscilla 429 trilioni di volte al secondo) brilla su questa nuvola. Quando il laser principale ticchetta alla giusta frequenza, gli atomi assorbono parte della sua luce. Come spiega Aeppli, è così che gli scienziati sanno che il laser sta pedalando alla giusta velocità, non troppo veloce, non troppo lento.

Testare la previsione di Einstein

Poiché il nuovo orologio atomico è così preciso, è un potente strumento per misurare l’effetto della gravità sul tempo. Spazio, tempo e gravità sono strettamente correlati, osserva Aeppli. La teoria della relatività generale di Einstein spiegava perché questo dovrebbe essere vero.

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Per testare la previsione di Einstein sulla più piccola differenza di altezza mai vista, il team JILA ha diviso in due la pila di atomi del nuovo orologio. Le pile superiore e inferiore erano separate di un millimetro. Ciò ha permesso agli scienziati di vedere quanto velocemente il laser principale dell’orologio ha ticchettato a due altezze diverse, ma molto vicine. Questo, a sua volta, ha rivelato quanto velocemente sia trascorso il tempo in entrambi i luoghi.

I ricercatori hanno trovato un centoquadrilionesimo di secondo di differenza di tempo su quella distanza. All’altezza della pila inferiore, il tempo scorreva leggermente più lento di un millimetro sopra. Ed è proprio ciò che la teoria di Einstein prevede.

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Il tempo passa un po’ più lentamente vicino al centro della Terra. Rispetto a 30 anni trascorsi al livello del mare, 30 anni sull’Everest aggiungerebbero 0,91 millisecondi alla tua età. Trascorri quegli stessi decenni nel basso Mar Morto e saresti 44 milionesimi di secondo più giovane che se fossi al livello del mare. Vedi la tua età in altre località su questo grafico.

In passato, tali misurazioni richiedevano due orologi identici a diverse altezze. Ad esempio, nel 2010, gli scienziati del NIST hanno utilizzato quella tecnica per misurare la dilatazione del tempo di oltre 33 centimetri. Il nuovo orologio offre un metro più preciso, afferma Aeppli. Questo perché la differenza di altezza tra due pile di atomi in un singolo orologio può essere molto piccola e comunque ben nota. “Se si costruissero due orologi per misurare il tempo a diverse altezze, sarebbe molto difficile determinare la distanza verticale tra gli orologi a meno di un millimetro“, spiega Aeppli.

Con il design a orologio singolo, gli scienziati possono acquisire immagini delle pile di atomi superiore e inferiore per confermare la distanza tra di loro. E le attuali tecniche di imaging, osserva Aeppli, consentono separazioni molto più piccole di un millimetro. Quindi gli orologi futuri potrebbero misurare gli effetti della dilatazione del tempo su distanze ancora più piccole. Forse anche piccolo quanto il divario tra atomi vicini.

Cambiamenti climatici, vulcani e misteri dell’universo

Questo è davvero interessante“, afferma Celia Escamilla-Rivera. Studia cosmologia presso l’Università Nazionale Autonoma del Messico a Città del Messico. Orologi atomici così precisi possono sondare il tempo, la gravità e lo spazio su scale davvero minuscole. E questo ci aiuta a comprendere meglio i principi fisici che governano l’universo, dice.

La teoria della relatività generale di Einstein descrive questi principi in termini di gravità. Funziona abbastanza bene, finché non arrivi alla scala degli atomi. Lì, prevalgono le regole della fisica quantistica. E questo è un tipo di fisica completamente diverso dalla relatività. Quindi, come si adatta esattamente la gravità al mondo quantistico? Nessuno lo sa. Ma un orologio anche 10 volte più preciso di quello utilizzato per la nuova misurazione della dilatazione del tempo potrebbe dare un’idea. E questo ultimo design dell’orologio apre la strada a questo, afferma Escamilla-Rivera.

Orologi atomici così precisi hanno anche altri potenziali usi. Immagina di costruire un set di orologi atomici affidabili e di facile utilizzo, afferma Aeppli. “Potresti metterli in tutti i posti in cui sei preoccupato per l’eruzione dei vulcani“. Prima di un’eruzione, il terreno spesso si gonfia o trema. Ciò cambierebbe l’altezza di un orologio atomico nell’area e quindi la sua velocità. Quindi gli scienziati potrebbero utilizzare gli orologi atomici per rilevare piccoli cambiamenti di elevazione che segnalano una possibile eruzione.

Tecniche simili potrebbero essere utilizzate per monitorare lo scioglimento dei ghiacciai, afferma Aeppli. Oppure, potrebbero migliorare la precisione dei sistemi GPS per mappare meglio le elevazioni sulla superficie terrestre.

Gli scienziati del NIST e di altri laboratori stanno già lavorando su orologi atomici portatili per tali usi, afferma Aeppli. Dovranno essere più piccoli e più durevoli di quelli in uso oggi. Gli orologi più precisi saranno sempre in un laboratorio con condizioni ben controllate, osserva. Ma man mano che questi dispositivi di laboratorio migliorano, lo faranno anche gli orologi per altre applicazioni. “Meglio misuriamo il tempo“, dice Aeppli, “meglio possiamo fare tante altre cose“.

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