Gli orologi atomici ed i limiti nella teoria della relatività

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La Stazione Spaziale Internazionale ospiterà gli orologi più precisi di sempre per lasciare la Terra. In un secondo momento, in 300 milioni di anni, gli orologi spingeranno la misurazione del tempo per testare i limiti della teoria della relatività e la nostra comprensione della gravità.

La teoria della relatività generale di Albert Einstein ha predetto che la gravità e la velocità influenzano il tempo, più veloce si viaggia e più tempo rallenta, ma anche più gravità si attira su di te, più il tempo rallenta.

Laboratorio spaziale europeo Columbus dove verrà installato ACES
Laboratorio spaziale europeo Columbus dove verrà installato ACES

Il 29 maggio 1919 la teoria di Einstein fu messa alla prova quando Arthur Eddington osservò la luce “piegarsi” attorno al Sole durante un’eclissi solare. Quarant’anni dopo, l’esperimento Pound-Rebka misurò per la prima volta l’effetto redshift indotto dalla gravità in un laboratorio, ma un secolo dopo gli scienziati stanno ancora cercando i limiti della teoria.

 

Foto negativa dell'eclissi solare del 1919
Foto negativa dell’eclissi solare del 1919

“La teoria della relatività descrive il nostro Universo su larga scala, ma al confine con la scala infinitesimamente piccola la teoria non strambata e rimane incoerente con la meccanica quantistica”, spiega Luigi Cacciapuoti, il progetto dell’ESA Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) lo scienziato. “I tentativi odierni di unificare la relatività generale e la meccanica quantistica predicono le violazioni del principio di equivalenza di Einstein”.

Il principio di Einstein spiega come la gravità interferisce con il tempo e lo spazio. Una delle sue manifestazioni più interessanti è la dilatazione del tempo dovuta alla gravità. Questo effetto è stato dimostrato confrontando gli orologi a diverse altitudini come sulle montagne, nelle valli e nello spazio. Gli orologi a più alta quota mostrano che il tempo passa più velocemente rispetto a un orologio sulla superficie terrestre, poiché vi è meno gravità dalla Terra più lontano sei dal nostro pianeta.

Volando a 400 km di altitudine sulla Stazione Spaziale, l’Atomic Clock Ensemble nello Spazio effettuerà misurazioni più precise che mai.

Orologio ACES
Assemblaggio dello strumento Pharao in una stanza bianca (BIS) presso il Centro Spaziale di Tolosa. The Atomic Clock Pharao è stato collocato nel 2016 sulla Stazione Spaziale Internazionale e quindi collegato ad altri orologi atomici sulla Terra per testare la famosa teoria della relatività di Einstein e migliorare ulteriormente la precisione della nostra misurazione del tempo. I risultati attesi potrebbero raddoppiare la precisione della navigazione satellitare e fornire quindi servizi di geolocalizzazione ancora più efficienti.

Internet of Clocks

ACES creerà una “internet of clocks”, collegando i più accurati orologi atomici di tutto il mondo e confrontando il loro cronometraggio con quelli sul laboratorio senza peso dell’umanità mentre vola sopra la testa.

Confrontando il tempo fino a una stabilità di centinaia di femtosecondi – un milionesimo di miliardesimo di secondo – sono necessarie tecniche che superino i limiti della tecnologia attuale. ACES ha due modi per gli orologi di trasmettere i loro dati, un collegamento a microonde e un collegamento ottico. Entrambe le connessioni scambiano segnali di temporizzazione a due vie tra le stazioni di terra e il terminale spaziale, quando il segnale di temporizzazione sale verso la Stazione Spaziale e quando ritorna verso la Terra.

L’accuratezza senza precedenti offerta da questo setup porta alcuni bei bonus all’esperimento ACES. Gli orologi sul terreno saranno confrontati tra loro fornendo misure locali delle differenze geopotenziali, aiutando gli scienziati a studiare il nostro pianeta e la sua gravità.

Le frequenze dei collegamenti laser e microonde aiuteranno a capire come la luce e le onde radio si propagano attraverso la troposfera e la ionosfera fornendo informazioni sul clima. Infine, l’internet degli orologi consentirà agli scienziati di distribuire il tempo e sincronizzare i propri orologi in tutto il mondo per esperimenti su larga scala basati sulla Terra e per altre applicazioni che richiedono tempi precisi.

Modulo Columbus con ACES
Modulo Columbus con ACES

“La prossima generazione di orologi atomici e le tecniche di collegamento che stiamo sviluppando potrebbero essere utilizzate un giorno per osservare le onde gravitazionali come missione LISA proposta dall’ESA,” aggiunge Luigi, “ma in questo momento ACES ci aiuterà a testare come meglio possiamo Einstein teoria della relatività generale, alla ricerca di piccole violazioni che, se trovate, potrebbero aprire una finestra su una nuova teoria della fisica che deve venire. ”

Gli orologi sono stati testati e integrati sul carico utile ACES e il collegamento a microonde per ACES è in fase di test prima dell’integrazione finale con l’esperimento completo. L’ACES sarà pronto per il lancio nella Space Station entro il 2020.

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