Che cosa significa davvero misurare il tempo con una precisione quasi inconcepibile? Per avere un’idea, basta pensare a un singolo secondo diviso idealmente in trilioni di intervalli. È su scale di questo tipo che lavorano i moderni orologi atomici, strumenti capaci di trasformare le oscillazioni degli atomi in un riferimento estremamente stabile per scandire il tempo. Un gruppo di ricercatori del Centre for Quantum Technologies (CQT) di Singapore ha realizzato un orologio atomico basato sul lutezio, raggiungendo una precisione che, secondo i risultati pubblicati sulla rivista Nature, supera i precedenti record ottenuti con altri elementi. Murray Barrett, Principal Investigator del CQT e professore presso il Dipartimento di Fisica della National University of Singapore, ha descritto il risultato con parole ambiziose: “Sono certo che quello che abbiamo ora sia l’orologio più preciso al mondo“.
Come funziona un orologio atomico
Alla base del funzionamento c’è un fenomeno microscopico: la transizione di un elettrone da un livello energetico a un altro all’interno di un atomo. Questa transizione avviene a una frequenza caratteristica e stabile, che può essere utilizzata come riferimento per misurare il tempo. Un laser viene sincronizzato con questa frequenza e le sue oscillazioni diventano una sorta di pendolo luminoso, capace di scandire il tempo con una regolarità straordinaria.
Il principio non è nuovo. Gli orologi atomici al cesio rappresentano lo standard internazionale per la misurazione del tempo dagli anni Sessanta e sono ancora fondamentali per applicazioni tecnologiche quotidiane, dal Gps alla sincronizzazione delle reti di comunicazione e dei sistemi di trasporto. La ricerca, però, ha portato allo sviluppo di una nuova generazione di strumenti: gli orologi atomici ottici.
Dal cesio agli orologi ottici
Elementi come itterbio, stronzio e alluminio sono diventati protagonisti della corsa alla massima precisione. Rispetto al cesio, le transizioni utilizzate da questi elementi avvengono a frequenze molto più elevate. Questo permette di effettuare un numero maggiore di oscillazioni e, di conseguenza, di ottenere misurazioni del tempo ancora più accurate. È proprio in questo contesto che si inserisce il nuovo risultato del gruppo di Singapore.
Il team del CQT ha scelto di puntare sul lutezio, un elemento sul quale lavora da oltre dieci anni. Secondo i ricercatori, il lutezio possiede caratteristiche particolarmente adatte alla realizzazione di un orologio dalle prestazioni estremamente elevate. Il gruppo di Singapore sarebbe inoltre attualmente l’unico a utilizzare questo elemento per la misurazione del tempo.
Una precisione di 19 cifre decimali
Il dato più impressionante riguarda la misurazione della frequenza dell’orologio. Gli scienziati sono riusciti a determinarla con una precisione di 19 cifre decimali, raggiungendo un’incertezza descritta come la più bassa mai registrata per un orologio atomico ottico. Per verificare ulteriormente le prestazioni dello strumento, i ricercatori hanno costruito anche 2 orologi identici, mettendoli a confronto. L’obiettivo era verificare quanto precisamente i due dispositivi riuscissero a scandire lo stesso tempo. Il risultato è stato un confronto tra orologi definito dal team come il più preciso mai realizzato.
Perché misurare il tempo in modo così preciso?
Una precisione di questo livello non è soltanto una sfida tecnologica. Gli orologi atomici di nuova generazione possono diventare strumenti per esplorare alcuni dei fenomeni più profondi della fisica. Una delle possibili applicazioni riguarda la gravità: orologi estremamente sensibili possono infatti rilevare variazioni minime associate al campo gravitazionale e contribuire al monitoraggio dei cambiamenti sulla Terra. La precisione raggiunta potrebbe inoltre aiutare gli scienziati a mettere alla prova le teorie fisiche fondamentali e a cercare eventuali fenomeni ancora non spiegati. C’è anche però una conseguenza molto concreta: il modo stesso in cui definiamo il secondo potrebbe cambiare.
Il futuro del secondo
Oggi il secondo è definito sulla base di una particolare transizione dell’atomo di cesio. Tuttavia, le prestazioni degli orologi ottici stanno raggiungendo livelli tali da spingere la comunità scientifica a valutare un possibile cambiamento dello standard. L’organismo internazionale responsabile degli standard di misurazione sta esaminando i dati provenienti dai diversi orologi atomici ottici. Una possibile ridefinizione del secondo potrebbe arrivare intorno al 2030 o negli anni successivi.
Il risultato ottenuto a Singapore si inserisce quindi in una competizione scientifica che non riguarda soltanto chi riesce a costruire l’orologio più preciso. In gioco c’è qualcosa di più fondamentale: stabilire con quale strumento e secondo quale riferimento l’umanità misurerà il tempo nel futuro. Dal cesio al lutezio, la ricerca degli scienziati sta portando l’orologio sempre più vicino a una precisione che, fino a pochi decenni fa, sarebbe sembrata impensabile.
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