di Emilio Giovenale e Marco Tannino
La misura del tempo è un concetto che ha influenzato la storia della fisica moderna e che riguarda anche il Nobel per la fisica del 2023 assegnato a Agostini, Krausz e L’Huillier. I tre scienziati hanno ideato un metodo che permette di osservare fenomeni rapidissimi che prima d’ora non potevano essere osservati con gli strumenti a nostra disposizione

Si chiama attosecondo,

e corrisponde a una piccolissima frazione di un secondo, l’unità standard per la misura del tempo. Un miliardesimo di miliardesimo di secondo, per la precisione. Di attosecondi, quest’anno, si è parlato tanto, perché legati al conferimento del premio Nobel per la fisica 2023: i tre scienziati che hanno ricevuto l’onorificenza, Agostini, Krausz e L’Huillier, hanno ideato un metodo per generare impulsi di luce brevissimi, di poche centinaia di attosecondi, con i quali è possibile indagare su fenomeni fino a ieri imperscrutabili, tanto rapidi da non poter essere osservati con gli strumenti che avevamo a nostra disposizione. Stiamo parlando di un concetto che ha influenzato tutta la storia della fisica moderna: la misura del tempo.

La misura del tempo

Prima di Galileo, le meridiane, già conosciute nell’antico Egitto, con l’ombra creata da una semplice asta colpita dai raggi del sole, segnavano l’ora e scandivano giornate che scorrevano lentamente. Con Galileo le cose cambiano. La leggenda ci racconta che lo scienziato, all’interno del Duomo di Pisa, osservando una lampada a olio che oscillava avanti e indietro, ebbe l’impressione che, nonostante l’ampiezza dell’oscillazione diminuisse gradualmente, il tempo necessario a compiere un’oscillazione restasse sempre lo stesso. Il grande scienziato ebbe così l’idea di verificare la sua intuizione misurando la durata delle oscillazioni della lampada, contando le pulsazioni del proprio cuore che, sulla scala dei secondi, sono abbastanza regolari. Da questa prima misura nascerà la “legge dell’isocronia del moto del pendolo”, che aprirà la strada all’invenzione dei primi orologi in grado di misurare il tempo con la precisione dei secondi.

Il tempo in Fisica

Sulla possibilità di eseguire misure di intervalli di tempo con maggiore precisione si fonda lo sviluppo della fisica classica. La meccanica, ad esempio, si basa su misure di spostamenti, ma anche di velocità e accelerazioni, per le quali serve un conteggio del tempo sufficientemente preciso, senza il quale Newton non avrebbe potuto scrivere le leggi fondamentali che portano il suo nome.

Einstein, in seguito, ci ha mostrato che il tempo non è assoluto bensì relativo, ovvero scorre in maniera ineguale in sistemi sottoposti ad accelerazione o a intensi campi gravitazionali.

Se osserviamo la natura a livello microscopico scompare la distinzione tra causa ed effetto e il tempo non ha più una direzione preferenziale in cui scorrere

Successivamente, la meccanica quantistica ha demolito ulteriormente la nostra concezione intuitiva di tempo. Carlo Rovelli lo spiega bene nel suo libro L’ordine del tempo. Se osserviamo la natura a livello microscopico scompare la distinzione tra causa ed effetto e il tempo non ha più una direzione preferenziale in cui scorrere. Non c’è più un passato e un futuro.

Questa nuova concezione di tempo non deve però preoccuparci. Nella realtà macroscopica nella quale viviamo il tempo mantiene il suo ruolo, ed è fondamentale per la scienza poterlo misurare con sempre maggior precisione.

Le motivazioni del Nobel per la fisica 2023

Già nel 2018 il Nobel per la fisica era stato assegnato per studi sul laser al femtosecondo (mille attosecondi), riconoscendone l’importanza per lo studio dei fenomeni ultraveloci. I tre vincitori di quest’anno sono andati oltre, arrivando a generare impulsi ancora più brevi.

Oggi, con le scoperte di Agostini, Krausz e L’Huillier, gli impulsi di luce all’attosecondo permettono di scattare delle “istantanee” velocissime, con le quali registrare una sequenza di immagini, così rapida da “catturare” fenomeni altrettanto veloci

A cosa servono impulsi di luce così rapidi? Quando avviene una reazione chimica, ad esempio, gli elettroni degli atomi che partecipano alla reazione si “muovono” tra i vari atomi in tempi dell’ordine degli attosecondi per riarrangiarsi nella configurazione ottimale per il prodotto della reazione. Prima delle scoperte di Agostini, Krausz e L’Huillier questo fenomeno non poteva essere osservato. Oggi, gli impulsi di luce all’attosecondo, che possono essere generati con i metodi messi a punto da questi scienziati, permettono di scattare delle “istantanee” velocissime, con le quali registrare una sequenza di immagini, così rapida da “catturare” fenomeni altrettanto veloci. È come utilizzare una telecamera ultraveloce che riprenda in “slow motion” sulla scala degli attosecondi.

Il futuro

L’attosecondo è davvero un limite o dobbiamo aspettarci altri Nobel? In realtà, il limite teorico oltre il quale non si può andare è il cosiddetto “tempo di Planck”, pari a circa 5,39×10⁻⁴⁴ s, vale a dire un centomilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di attosecondo. Possono fioccare ancora tanti Nobel.

Emilio Giovenale e Marco Tannino, studenti del Master “La scienza nella pratica giornalistica” presso il Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “Charles Darwin” della Sapienza Università di Roma

Per saperne di più : Movimenti veloci

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