La maggior parte degli orologi che la gente usa per dire l’ora sono precisi entro 10 o 15 secondi ogni mese. Gli orologi meccanici di lusso (come un Rolex) saranno fuori di più – un secondo o due ogni giorno. Gli scienziati hanno bisogno di qualcosa di molto più preciso e accurato, perché i fenomeni che misurano spesso durano solo miliardesimi di secondo.
E qui entra in gioco l’orologio atomico. La prima versione accurata è stata costruita nel 1955. Gli orologi atomici tengono il tempo misurando le oscillazioni degli atomi quando cambiano stato energetico. Ogni elemento ha una frequenza caratteristica o un insieme di frequenze, e poiché l’atomo “batte” miliardi di volte al secondo, questi orologi sono molto precisi. Al National Institute of Standards and Technology, il secondo “ufficiale” è 9.192.631.770 cicli di un atomo di cesio. (Il quarzo di un orologio oscilla a circa 32.000 volte al secondo, circa 290.000 volte più lento degli atomi di cesio.)
Gli scienziati parlano degli orologi atomici in termini di stabilità e precisione. Per un orologio atomico, la precisione è quanto bene misura le vibrazioni degli atomi. Confrontando due orologi, gli scienziati possono misurare l’incertezza nella lettura di quella frequenza – quanto è preciso un orologio. La stabilità è quanto variano i ticchettii di un orologio in un dato lasso di tempo. Fai la media di un gran numero di ticchettii, diciamo 100.000, e otterrai un numero che può essere misurato rispetto al tempo effettivo che l’orologio tiene. Gli scienziati di solito si riferiscono alla precisione quando dicono che un orologio è così accurato da guadagnare o perdere un secondo in milioni di anni. Quando parlano di precisione, gli scienziati di solito si riferiscono a quanto bene un orologio corrisponde a un dato riferimento standard, quindi in quel senso l’orologio più accurato è sempre quello con cui hanno impostato il secondo standard.
Tom O’Brian, capo della divisione Time & Frequency del NIST, ha notato diversi tipi di orologi atomici: Quello usato per determinare il secondo standard è basato su atomi di cesio, ma altri tipi usano stronzio, alluminio o mercurio. Alcuni usano l’idrogeno. Per una precisione ancora migliore, gli ultimi orologi atomici super-raffreddano gli atomi al loro interno per eliminare qualsiasi perturbazione dal calore ambientale.
Il più grande acquirente di orologi atomici, l’industria delle telecomunicazioni, li utilizza per sincronizzare gli interruttori a fibra ottica e le torri dei telefoni cellulari, ha detto O’Brian. Gli orologi atomici sono anche usati nel sistema GPS per misurare accuratamente i tempi dei segnali e per segnalare la propria posizione rispetto ai satelliti.
Ecco alcuni degli orologi più precisi mai costruiti, ma O’Brian ha notato che la tecnologia sta migliorando continuamente, e gli scienziati stanno cercando di creare misure del tempo sempre più precise.
1. Il NIST F2
Messo in linea per la prima volta nel 2014, questo orologio, insieme al suo predecessore, il NIST F1, aiuta a determinare il secondo standard usato dagli scienziati di tutto il mondo. Il NIST F2 sincronizza anche le telecomunicazioni e persino il trading nei mercati finanziari per l’ora ufficiale del giorno. L’orologio usa una serie di sei laser per raffreddare gli atomi (circa 10 milioni), mentre un’altra coppia di laser spinge delicatamente gli atomi verso l’alto in una camera piena di radiazioni a microonde. La frequenza della radiazione che altera gli stati della maggior parte degli atomi è ciò che il NIST usa per definire i secondi. La sua precisione viene in parte perché funziona a un freddo meno 316 gradi Fahrenheit (meno 193 gradi Celsius); le condizioni fredde aiutano a proteggere gli atomi di cesio dal calore disperso che potrebbe alterare le misure delle oscillazioni dell’atomo. Questo orologio guadagnerà o perderà un secondo circa una volta ogni 300 milioni di anni.
2. Università di Tokyo/ RIKEN
Costruito da un team guidato da Hidetoshi Katori, questo è un orologio atomico a reticolo ottico. Utilizza atomi di stronzio intrappolati tra raggi laser e raffreddati a meno 292 F (meno 180 C). Gli orologi a reticolo ottico misurano le oscillazioni di insiemi di atomi intrappolati e quindi possono calcolare la media degli errori. La sua incertezza, riportato nella rivista, Nature Photonics, il 9 febbraio, è 7,2 x 10^-18, che è circa un secondo ogni 4,4 miliardi di anni; i ricercatori hanno detto che sono stati in grado di eseguire due orologi dello stesso tipo per ottenere che giù a 2.0 x 10^-18, o circa un secondo ogni 16 miliardi di anni.
3. L’orologio allo stronzio del NIST / JILA
NIST e JILA, un istituto congiunto dell’Università del Colorado, Boulder, hanno costruito un orologio a reticolo di stronzio che ha raggiunto una precisione di 1 secondo ogni 5 miliardi di anni. Il team, guidato dal fisico Jun Ye, ha pubblicato il suo lavoro nel 2014, e ha ricontrollato i risultati facendo funzionare il suo orologio contro un altro simile. O’Brian ha detto che il NIST ha in programma un altro esperimento di orologio per spingerlo ancora oltre, per superare la stabilità dell’orologio costruito dal team di Katori in Giappone. L’orologio funziona intrappolando atomi di stronzio con il laser in una specie di spazio a forma di pancake. Una luce laser rossa sintonizzata su una certa frequenza fa saltare gli atomi tra i livelli di energia, e questi salti sono i “tic” – circa 430 trilioni ogni secondo.
4. L’orologio logico quantistico in alluminio
Il NIST non usa solo atomi di stronzio e cesio. Nel 2010, il NIST ha costruito un orologio atomico che utilizzava un atomo di alluminio, con una precisione di un secondo ogni 3,7 miliardi di anni. Questo usa un singolo atomo di alluminio intrappolato in campi magnetici con un singolo atomo di berillio. I laser raffreddano i due atomi fino allo zero assoluto. Un altro laser è sintonizzato sulla frequenza che fa cambiare stato all’alluminio. Ma gli stati dell’alluminio sono difficili da misurare con precisione, quindi l’alluminio è accoppiato all’atomo di berillio. Questo è un processo simile a quello usato nei setup di calcolo quantistico.
5. L’orologio meccanico Shortt-Synchronome
Gli orologi atomici ottengono tutta la gloria, ma O’Brian ha detto che prima che arrivassero gli scienziati dovevano ancora usare orologi meccanici – e alcuni erano abbastanza precisi. L’orologio Shortt, inventato nel 1921, era uno strumento scientifico standard negli osservatori fino a quando gli orologi atomici lo sostituirono. L’orologio era in realtà un sistema doppio, composto da un pendolo in un serbatoio a vuoto collegato da fili elettrici. L’orologio secondario inviava un impulso elettrico ogni 30 secondi a quello primario, per assicurare che i due rimanessero sincronizzati, e il pendolo nel vuoto era fatto di una lega di nichel e ferro per ridurre qualsiasi espansione termica, che avrebbe alterato la lunghezza del pendolo e quindi la sua oscillazione. L’orologio è così preciso che i pendoli possono essere usati per misurare gli effetti gravitazionali del sole e della luna, ed è stato questo strumento a dimostrare che la rotazione della Terra non è, di fatto, uniforme. I test dell’Osservatorio Navale degli Stati Uniti negli anni ’80 hanno mostrato che l’orologio aveva una precisione di 1 secondo in circa 12 anni.
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