Stanco dei tuoi orologi da polso che perdono tempo col passare degli anni? Un nuovo orologio atomico, che è il più preciso di sempre, utilizza atomi e laser a itterbio per definire con precisione un secondo. Immagine tramite l'utente Flickr Earls37a
Se l'orologio al polso è lento di cinque minuti nel corso di un anno, probabilmente non ci penseresti. Ma scienziati e ingegneri si affidano a orologi atomici ultra precisi per una vasta gamma di applicazioni e la ricerca di orologi sempre più precisi è andata avanti per millenni.
Ora, un gruppo di ricercatori guidati da Andrew Ludlow del National Institute of Standards and Technology ha alzato il livello più che mai. Si prevede che il loro ultimo orologio atomico, svelato ieri, divenga inaccurato per un periodo di 1, 6 secondi dopo aver funzionato per un totale di 10 18 secondi o, in altre parole, perde un secondo intero nel corso di circa 50, 8 miliardi di anni .
Nel documento che descrive il loro orologio, i ricercatori hanno fornito una coppia di analogie per questo livello di precisione: "equivale a specificare l'età dell'universo noto con una precisione di meno di un secondo", hanno scritto, "o il diametro della Terra a meno della larghezza di un atomo. "
Come tutti gli orologi, gli orologi atomici mantengono un tempo costante basando la durata di un secondo su un evento fisico che si verifica con regolarità. Mentre gli orologi meccanici usano l'oscillazione di un pendolo per mantenere il tempo, gli orologi atomici usano un meccanismo che si verifica con ancora più regolarità: la frequenza specifica della luce necessaria per far fluttuare un atomo tra due stati energetici (in particolare, per passare da uno stato fondamentale in uno stato eccitato), che è sempre un valore uniforme. Ad esempio, l'attuale standard internazionale che definisce la durata di un secondo è di 9.192.631.770 cicli della quantità di radiazione a microonde che provoca la fluttuazione degli atomi di cesio tra i due stati energetici e nel processo emette la massima luce possibile.
Alcuni fattori, tuttavia, possono distorcere anche le misurazioni più accurate di questa frequenza. Ciò che i ricercatori dietro questo nuovo orologio hanno fatto è creare un design innovativo (usando un elemento diverso) che minimizzi queste distorsioni più di qualsiasi altro orologio prima.
Il loro design, chiamato "orologio a reticolo ottico", intrappola gli atomi di itterbio all'interno di una scatola reticolare di raggi laser. Tenuti in posizione, gli atomi sono bombardati da un secondo tipo di laser, che costringe i loro elettroni a saltare nel livello di energia. Un sensore verifica che tutti gli atomi raggiungano il livello di energia più elevato e che la precisa frequenza della luce necessaria per costringerli a farlo sia convertita nella lunghezza esatta di un secondo.
Normalmente, qualsiasi leggero movimento fisico degli atomi mentre sono bombardati può portare a sottili cambiamenti nella frequenza della luce necessaria per aumentare il loro livello di energia (a seguito del movimento Doppler), scartando l'accuratezza dell'orologio. Ma, come descritto nella MIT Technology Review, in cui è stata pubblicata la prima notizia sull'orologio, la scatola di raggi laser "tiene gli atomi in una presa simile a una morsa che minimizza qualsiasi effetto Doppler". Inoltre, il reticolo intrappola un numero relativamente grande di atomi (tra 1.000 e 1.000.000) rispetto alla maggior parte degli orologi atomici, quindi la media della quantità di radiazione necessaria per elevare ciascuno di questi al livello di energia più elevato fornisce un valore più accurato della frequenza precisa della radiazione, che viene quindi utilizzata per impostare il tempo.
Confrontando due di questi orologi insieme, gli autori hanno trovato qualcosa di straordinario: ogni "segno di spunta" misura gli intervalli di tempo in modo così perfetto che un orologio rimarrà indietro del tempo reale solo di un decimo di secondo quando il nostro Sole avvolge la Terra mentre si evolve in un rosso gigante tra circa 5 miliardi di anni.
Questo nuovo orologio - e il graduale affinamento degli orologi atomici nel loro insieme - potrebbe sembrare una ricerca puramente accademica, ma in realtà ci sono tonnellate di applicazioni molto utili della tecnologia. Prendi, ad esempio, l'app "mappe" sul tuo telefono. Senza la possibilità di sincronizzare da vicino gli orologi a grandi distanze, il sistema GPS non sarebbe in grado di funzionare, perché si basa sul confronto esatto del tempo impiegato dai segnali per viaggiare da diversi satelliti diversi al dispositivo abilitato GPS.
Le ricerche future che potrebbero utilizzare questo più recente progresso nella tecnologia dell'orologio atomico potrebbero rientrare nella scienza della geodesia, che cerca di misurare con precisione nel tempo minuscoli cambiamenti nella forma della Terra e nel suo campo gravitazionale. Tutti gli orologi scorrono a velocità infinitamente più lente a livello del mare che a un miglio di altezza, perché la forza di gravità è più forte quando si avvicina alla Terra. Attualmente, con i più sofisticati orologi atomici, questa differenza di velocità può essere misurata solo quando l'altezza cambia di migliaia di piedi, ma con il nuovo orologio, saranno rilevabili quando l'orologio viene alzato o abbassato di un semplice centimetro, rendendo il sistema potenzialmente utile per misurare lievi variazioni dello spessore del ghiaccio del ghiacciaio o elevazione acquisita dalle catene montuose nel tempo quando le placche tettoniche si scontrano.
