Il nuovo orologio atomico segnerà l'ora esatta per 15 miliardi di anni

Che è più o meno l'età del nostro universo.

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23 aprile 2015, 11:26am

Immagin: Ye group e Baxley/JILA

L'orologio ottico atomico più preciso del mondo ora è tre volte più preciso di quanto non lo fosse un anno fa, grazie agli ingegneri e i fisici del National Institute of Standards and Technology e al laboratorio JILA della University of Colorado.

Questo orologio può restare preciso per 15 miliardi di anni, più o meno l'età del nostro universo, e possiamo stare tranquilli che non andrà mai avanti o indietro di un secondo.

In termini di stabilità, o di quanto un tic di questo orologio sia in pari con il toc successivo, questo è un miglioramento di circa il 50 percento rispetto all'anno scorso, quando l'orologio del JILA ha stabilito il precedente record del mondo. Ora, l'orologio più rilevare i cambiamenti dovuti dagli effetti gravitazionali—a causa della relatività, la gravità influenza il tempo—che sono generati anche solo dal sollevare l'orologio 5 centimetri sopra la superficie terrestre.

"Gli orologi ottici atomici hanno il potenziale per trasformare il concetto di puntualità nel mondo, permettendo miglioramenti esponenziali nella precisione delle misurazioni e sensori di precisione per una vasta gamma di applicazioni scientifiche e tecnologiche," hanno scritto i ricercatori JILI/NIST, guidati dal fisico ottico Jun Ye, ​in un paper uscito martedì su Nature Communications. "La ricerca di orologi atomici migliori ha anche avuto un forte impatto in diversi campi fondamentali di ricerca, fornendo un maggiore controllo degli stati quantici, maggiori approfondimenti nella scienza dei quanti, limiti più rigidi per la variazioni delle costanti e maggiore sensibilità nei test sulla relatività."

Quindi, cos'è esattamente un ​orologio ottico reticolare? Un reticolo ottico è tecnicamente una rete di raggi laser che si intersecano e si incontrano nei giusti punti e alla giusta angolatura per creare un pattern di rigonfiamenti e abbassamenti su un piano. Un atomo, di stronzio in questo caso, può essere confinato in uno di questi abbassamenti, nel senso che per uscirvi ha bisogno di una certa quantità di energia extra, come delle uova nei loro contenitori. Nell'orologio JILA diverse migliaia di atomi sono ingabbiati così. 

"L'orologio atomico reticolato basato sullo stronzio del JILA è più performante che mai perché gli scienziati stanno letteralmente misurando la temperatura degli atomi. Due termometri specializzati, calibrati dai ricercatori del NIST e visibili al centro della foto, sono inseriti in una camera sotto vuoto che contiene una nuvola di atomi di stronzio ultrafreddi confinati dai laser." Credit: Marti/National Institute of Standards and Technology.

Ogni atomo è circondato da un certo numero di elettroni, che "orbitano" attorno al nucleo atomico a differenti livelli che corrispondono al variare dei livelli di energia degli elettroni. Nel guscio più interno troviamo gli elettroni a energia più bassa e a ogni livello, muovendoci verso l'esterno, l'energia degli elettroni aumenta. Questi gusci sono quantizzati, ciò significa che non ci sono disturbi tra di loro. È possibile eccitare un elettrone per farlo passare da un livello all'altro sparandogli addosso dei fotoni (radiazioni elettromagnetiche) ma, poiché non c'è energia tra i livelli, l'unica condizione per la quale l'elettrone assorbirà questa energia è che l'energia sia esattamente quella necessaria per farlo passare al livello successivo. Non può mettere da parte gli altri fotoni per avanzare.

In altre parole, l'unica energia che un elettrone in un atomo può assorbire è la differenza tra il suo livello di energia e il successivo. In un orologio atomico ottico reticolare, dei raggi laser (diversi da quelli che confinano gli atomi nel reticolo) sono sparati agli atomi intrappolati, ciò potrebbe o non potrebbe farli saltare al livello di energia successivo. Più la frequenza del raggio è vicina alla frequenza richiesta per il salto dell'elettrone, maggiori sono le possibilità che quella particella faccia effettivamente il salto.

Quindi, i raggi laser sono sparati contro tutti questi atomi di stronzio e possiamo capire se gli elettroni riescono o meno a fare il salto rilevando eventuali fotoni lasciati indietro. Il "tempo" in questo contesto è la frequenza di eccitazione dell'atomo di stronzio, che è determinato attraverso una serie di raggi rilevatori. Utilizzando molti atomi, come nel metodo ottico reticolare, e, quindi, aumentando la precisione dell'orologio. (Un normale orologio atomico funzionerebbe come sopra, ma solamente con un atomo.)

Per calcolare il numero minimo di anni richiesti per accumulare un errore prendiamo l'incertezza sistematica di tutti questi atomi e la dividiamo per uno, poi dividiamo il numero di secondi in un anno (31.5 milioni) per il primo numero. 

Nella storia la misurazione del tempo è stata un'innovazione che ha permesso a molte persone di condividere la stessa misurazione dei momenti, appunto. Grazie all'orologio Unix Epoch possiamo stare tranquilli che tutti i nostri computer siamo impostati sulla stessa ora, per esempio. Ma, come fa notare nel video sopra Hidetoshi Katori, il fisico che ha ideato il modello atomico reticolare nel 2001, gli orologi ottici atomici offrono qualcosa di ancora più speciale: la possibilità di mostrare le differenze nel tempo. Il tempo cambia ovunque perché la massa cambia ovunque, ma c'è bisogno della fisica subatomica per catturare i dettagli più minuscoli.