Il futuro della misurazione del tempo - La tecnologia del vuoto è essenziale per gli orologi atomici ottici

Il futuro della misurazione del tempo - La tecnologia del vuoto è essenziale per gli orologi atomici ottici

Le camere del vuoto contenenti atomi a fluttuazione libera rappresentano il cuore degli strumenti più precisi per la misurazione del tempo. Gli impulsi laser funzionano come un generatore di temporizzazione per la generazione più recente di orologi atomici. Sono incredibilmente precisi.
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Che cos'è il tempo? Né i fisici né i filosofi sanno rispondere a questa domanda. Ma questo non impedisce alle persone di dividerlo in intervalli e misurarlo nel modo più preciso possibile. I cronometristi, come i quadranti solari dell'antichità o gli orologi da torre meccanici del Medioevo, sono stati importanti fasi di sviluppo per il modo in cui viene misurato il tempo. Nel XVII secolo, il matematico e fisico Christian Huygens ha raggiunto un progresso tecnico chiave. Il suo orologio a pendolo divise precisamente il tempo in ore, minuti e secondi per la prima volta. Da allora, sono stati sviluppati strumenti di misurazione sempre più precisi. Oggi, gli orologi atomici al cesio rappresentano la base per il tempo universale standardizzato ufficiale e perdono solo un secondo ogni 30 milioni di anni.

Gli orologi atomici al cesio tengono il tempo del mondo

Questi moderni cronometristi non hanno pendoli o mani. Invece, sono gli atomi di cesio a scandire il tempo che passa. Vengono riscaldati fino a quando non vengono fatti evaporare per ebollizione e vengono poi passati in un tubo con un vuoto elevato. La bassa pressione assicura che gli atomi non si urtino l'uno con l'altro e passino attraverso la camera con energia elevata. Gli atomi sono quindi esposti alle radiazioni di microonde. La frequenza corretta, indicata dai fisici come frequenza di risonanza, modifica lo stato energetico di alcuni degli atomi. Vengono "eccitati" e contati da un rilevatore.

Ora le frequenze delle microonde vengono regolate fino a quando cambia lo stato energetico del maggior numero possibile di atomi di cesio. Ciò avviene in modo affidabile a 9.192.631.770 hertz, quindi a oltre nove miliardi di oscillazioni al secondo. Inversamente, un secondo passa quando viene raggiunto questo numero. Questa è la base per definire la lunghezza di un secondo nel SI (Sistema internazionale delle unità).

Ulteriore precisione con i laser

Oltre agli orologi a radiazione di cesio, anche gli orologi a fontana di cesio vengono utilizzati come orologi di riferimento per il tempo universale. In questi orologi, gli atomi di cesio vengono introdotti nella camera del vuoto, in un modo che ricorda una fontana, prima di essere irradiati con le microonde. Poiché la frequenza di risonanza degli atomi può essere determinata in modo ancora più preciso utilizzando questo metodo, gli orologi a fontana, perdono al massimo solo un secondo in 40 milioni di anni. 

Gli orologi atomici ottici che usano atomi di stronzio o itterbio sono ancora più precisi. Anziché usare le microonde, gli atomi vengono eccitati con i laser, anche in un vuoto ultraelevato. La frequenza della luce che risulta quando un atomo cambia il suo stato energetico serve da riferimento per la lunghezza di un secondo. La frequenza è più elevata e la frequenza di transizione degli elettroni è più veloce, in modo tale che il tempo può essere diviso in intervalli ancora più piccoli. Gli orologi ottici scandiscono il tempo molto più velocemente e con intervalli più precisi rispetto agli orologi al cesio. Potrebbero diventare i nuovi cronometristi per il tempo universale, rendendo necessario ridefinire l'unità di tempo che conosciamo come secondo. Indipendentemente dal processo, tutti i tipi di orologi atomici richiedono una camera del vuoto per i loro atomi di riferimento.


Quasi nessuno è consapevole del fatto che gli orologi atomici da tempo scandiscono il ritmo della nostra vita quotidiana, ad esempio impostando l'ora per gli orologi radiocontrollati e gli orologi nelle stazioni ferroviarie. I sistemi GPS non sarebbero in grado di garantire una navigazione affidabile senza cronometristi atomici: i ricevitori GPS, come i sistemi di navigazione nelle nostre auto, registrano costantemente le informazioni dai satelliti GPS che trasmettono le loro rispettive posizioni e il loro orario. Il ricevitore utilizza i dati di tre satelliti per trovare la posizione esatta calcolando la differenza tra trasmissione e ricezione dei segnali. Una deviazione di solo un milionesimo di secondo controbilancerebbe la lettura di 300 metri.

Gli orologi atomici sono anche necessari per la sincronizzazione delle reti di dati ad alta velocità. Le lunghe linee di trasmissione a fibra di vetro ottica devono coordinare in modo molto preciso l'invio e la ricezione al fine di prevenire il caos dei dati.

È inoltre necessaria una misurazione estremamente esatta del tempo per le applicazioni geodetiche e la ricerca di base. La generazione più recente di orologi atomici consente di misurare la postulazione di Einstein su come il tempo viene allungato dalla gravità della Terra o permette di localizzare la materia oscura.


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