A Boulder, in Colorado, il gruppo Bacon ha realizzato un sistema che connette tre orologi atomici, ottenendo una precisione che potrebbe ridefinire l’unità di misura del tempo e aiutare a rilevare la materia oscura

Il gruppo di collaborazione Bacon, che sta per Boulder Atomic Clock Optical Network, ha pubblicato sulla rivista Nature il risultato della comparazione fra tre dei migliori orologi ottici al mondo. Il gruppo ha ottenuto una misura delle frequenze di oscillazione corretta fino alla diciottesima cifra decimale. Questo è il margine di errore necessario per poter sostituire la definizione del “secondo” nel sistema internazionale.

Ma perché è così importante ridefinire il secondo?

Immaginate che una stanghetta dei vostri occhiali si stacchi dalla montatura. Riuscite a intuire che si è spezzata la vite che teneva salde le due parti. Vorreste misurarla per poterla sostituire al meglio, ma avete a disposizione solo un metro da sarta. Analogamente, i fenomeni d’interesse per la fisica delle particelle odierna avvengono in tempi talmente brevi da essere difficilmente rilevabili senza un sistema di misura adatto. Il primo passo per ottenerlo è stabilire con precisione quanta massa è contenuta in un chilo, quanto è lungo un metro o quanto dura un secondo. Mentre per le prime due grandezze si è concordata una definizione sulla base di costanti fisiche conosciute, il tempo rimane legato a un particolare fenomeno, cioè le oscillazioni della radiazione emessa dall’atomo di cesio a una determinata energia. Gli orologi che utilizzano questa modalità di misura sono chiamati orologi atomici. Quelli che emettono radiazione a una frequenza compresa nello spettro ottico, cioè tra 300 GHz e 3000 THz, si chiamano orologi ottici. Le frequenze emesse da questo tipo di orologi sono misurate con una precisione tale che dovrebbero, in teoria, accumulare un secondo di ritardo dopo un tempo pari all’età dell’universo. Questo li renderebbe anche di cento volte più precisi degli orologi al cesio.

Prima di cambiare l’unità del sistema internazionale, però, è necessario assicurarsi che gli orologi ottici siano replicabili e affidabili. Per questo motivo il gruppo Bacon ha messo a confronto tre degli orologi ottici migliori di cui disponiamo, due di questi si trovano al National Institute of Standards and Technology (Nist) e sono calibrati su atomi di itterbio e su ioni di alluminio, mentre il terzo si trova al Joint Institute for Laboratory Astrophysics (Jila) e sfrutta atomi di stronzio. La connessione è stata effettuata sia tramite fibra ottica, che attraverso impulsi laser emessi all’aria aperta. Raccogliendo dati per alcuni mesi, il gruppo ha raggiunto una precisione mai verificata prima nella comparazione degli orologi.

Se questo sistema venisse adottato e se cambiassimo la definizione del secondo, migliorerebbe la nostra capacità di misurare il tempo per ogni applicazione. Facciamo alcuni esempi. Con questo metodo si potrebbero rilevare, se ci sono, minuscole variazioni nelle frequenze di emissione degli atomi, segno di un’interazione con forze sconosciute o con alcuni tipi di materia oscura, non misurabili fino a oggi. Il collegamento con impulsi laser inoltre rende il sistema utilizzabile anche fuori dai laboratori, con applicazioni nello studio della superficie terrestre. Poiché la teoria della relatività di Einstein prevede che il tempo scorra diversamente a seconda dell’altitudine di chi lo misura, sarebbe possibile rilevare differenze di altezza con estrema precisione e su tempi molto lunghi, come richiede il monitoraggio del livello del mare e dello spessore delle calotte polari. Oltre a poter mettere alla prova con maggior precisione la stessa relatività di Einstein.

Insomma, se questo sistema permetterà di conoscere nuovi aspetti della realtà che ci circonda, sarà il tempo a dircelo e ce lo dirà con una precisione incredibile.

Immagine in evidenza: {Wikimedia Commons}