Orologi quantistici che misurano tempo e onde gravitazionali

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Nuovo record di precisione per gli orologi atomici. Due strumenti sviluppati da ricercatori statunitensi hanno infranto ogni precedente primato di accuratezza: talmente precisi che potrebbero essere impiegati per rilevare onde gravitazionali e altri sfuggenti fenomeni fisici.

La misurazione del tempo avviene tenendo traccia di fenomeni periodici, come la rivoluzione terrestre o l’oscillazione di un pendolo. Gli orologi atomici sono i più accurati strumenti di misurazione del tempo che abbiamo a disposizione: registrano il numero delle oscillazioni degli elettroni di atomi puri, attraversati da radiazione elettromagnetica a una frequenza specifica (come un fascio di luce laser).

Ogni anno si interviene su questi orologi ottenendo scansioni del tempo sempre più precise. Il nuovo record in questo campo arriva dal National Institute of Standards and Technology americano, dove sono stati messi a punto due orologi atomici così precisi da essere teoricamente in grado di rilevare il passaggio di onde gravitazionali (increspature nel tessuto dello spazio-tempo), misurare la forma del campo gravitazionale terrestre e persino indagare natura ed esistenza della materia oscura. Le nuove conquiste sono illustrate in un articolo su Nature.

L'Urania Weltzeituhr, l'orologio universale simbolo di Berlino.|Shutterstock
L’Urania Weltzeituhr, l’orologio universale simbolo di Berlino.|Shutterstock

Un record tira l’altro. I due strumenti che misurano le oscillazioni degli atomi di un elemento chimico, l’itterbio (70Yb), hanno un’incertezza sistematica (cioè un “margine di errore”) nel cogliere il numero esatto di “ticchettii” di 1,4 parti su 10 alla 18esima, cioè inferiore a uno su un miliardo di miliardi. Sono circa 100 volte più precisi dei più noti orologi atomici al cesio. E anche la stabilità (cioè la misura di quanto questa frequenza cambia con il passare del tempo) e la riproducibilità, ossia la misura di quanto i due orologi “vanno d’accordo” hanno un margine di errore infinitesimale, di un ordine di grandezza simile (che ha infatti infranto ogni record precedente).

«La concordanza tra i due orologi, che noi chiamiamo riproducibilità, è forse il singolo risultato più importante, perché richiede e avvalora gli altri due record» spiega Andrew Ludlow, fisico dell’istituto statunitense. La precisione dei due dispositivi supera persino la nostra accuratezza nel tener conto di come l’attrazione gravitazionale modifica la percezione dello scorrere del tempo nei punti diversi del Pianeta (perché come sappiamo, il tempo non è una dimensione assoluta, ma legata al sistema di riferimento in cui ci si trova).

Strumenti di ricerca. Questa precisione assoluta renderebbe complicato comparare le misurazioni del tempo di due orologi all’itterbio posizionati in due luoghi diversi del pianeta. Ma allo stesso tempo si presterebbe a compiti di ricerca avanzata nel campo della fisica, come la modellazione di campi gravitazionali, l’individuazione di onde gravitazionali o di materia oscura. I due orologi sono così sensili, infatti, che ogni interferenza dovuta a una piccola alterazione della gravità o di altre forze sarebbe prontamente individuata.

Posizionandone più d’uno in vari punti della Terra si potrebbero misurare i più piccoli cambiamenti nel campo gravitazionale; anche un’interazione con particelle di materia oscura o con gli echi dei più potenti eventi celesti (le onde gravitazionali) potrebbe subito saltare all’occhio. Prima di arrivare a tanto occorrerà però replicare i promettenti risultati su altri dispositivi.

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