Orologi atomici più precisi di sempre: ci aiuteranno a misurare lo spazio-tempo


AL NIST è il giorno dei record. Il National Institute of Standards and Technology ha infatti sviluppato una nuova generazione di orologi atomici, che superano per precisione e affidabilità qualunque modello precedente. E con tanta precisione, i nuovi dispositivi, descritti in un articolo appena pubblicato su Nature, faranno ben più che segnare l’ora esatta: permetteranno infatti di studiare la forma del campo gravitazionale terrestre, di misurare il passaggio di onde gravitazionali, e perché no, di indagare l’esistenza e la natura della sfuggente materia oscura. Vediamo come.
 
•TUTTO È RELATIVO
Per esperti e appassionati di fisica non sarà certo una novità, ma per gli altri un piccolo ripasso può tornare utile. Iniziando da una delle conseguenze più contro-intuitive della teoria della relatività: il tempo non è una dimensione assoluta, ma dipende dal sistema di riferimento in cui lo si misura. Velocità, accelerazione, e anche gli effetti della gravità alterano lo scorrere del tempo a livello locale: in cima a una montagna, ad esempio, il tempo scorre più velocemente rispetto a quanto avviene in pianura, perché gli effetti della gravità del pianeta (che distorce lo spazio-tempo) sono meno pronunciati. Questo in teoria, perché in pratica, ovviamente, si tratta di differenze talmente infinitesimali che è impossibile notarle. O almeno, così è stato fino ad oggi, perché una nuova generazione di orologi atomici promette di fare esattamente questo.
 
•QUESTIONE DI PRECISIONE
In effetti, i progressi fatti dai ricercatori del Nist sono principalmente di natura tecnica. Non hanno fatto altro che migliorare l’efficienza dei loro orologi fino a raggiungere una precisione, e soprattutto un’affidabilità, mai viste prima. I ticchettii dei nuovi orologi riproducono la frequenza di vibrazione degli atomi di itterbio contenuti al loro interno con un’incertezza (o soglia di errore) inferiore a uno su un miliardo di miliardi. E anche la stabilità del loro funzionamento e la riproducibilità (cioè il fatto che due dispositivi mostrino lo stesso livello di precisione) hanno infranto ogni record.
 
Questo livello di precisione – spiegano i ricercatori nel loro studio – rende gli orologi fin troppo sensibili agli effetti relativistici della gravità, facendo sorgere un problema: la loro precisione supera quella con cui gli scienziati possono calcolare in che modo l’attrazione gravitazionale influenza lo scorrere del tempo in ogni punto della superficie terrestre. Per questo motivo, attualmente sarebbe impossibile comparare il tempo segnato da due dei nuovi orologi situati in punti diversi del pianeta. Ma facendo di necessità virtù – dicono i ricercatori – i dispositivi potrebbero rivelarsi molto utili per una serie di compiti completamente differenti.
 
•RILEVATORI DI CAMPI GRAVITAZIONALI
Uno degli utilizzi più diretti proposti dai ricercatori è nel campo della geodesia, più precisamente nella determinazione del geoide: una figura tridimensionale ideale che corrisponde alla forma che avrebbero gli oceani se non esistessero maree e venti a disturbarne le acque. Si tratta di un modello importante per determinare con precisione scientifica il cosiddetto “livello del mare”, e tutte le misure che si basano di esso. Oggi i calcoli presentano ancora diversi centimetri di incertezza, ma con gli orologi atomici di nuova generazione i ricercatori assicurano che la precisione potrebbe scendere facilmente al di sotto del centimetro.

E non è tutto, perché i nuovi orologi potrebbero rivelarsi preziosi per studiare tutti i fenomeni legati alla gravità. Un esempio su tutti: le onde gravitazionali, che attualmente si cercano utilizzando enormi interferometri, e che in futuro si potrebbero osservare monitorando i ticchettii degli orologi atomici. È presto per cantare vittoria, ovviamente, perché i risultati andranno validati e poi replicati su nuovi dispositivi. Ma dal Nist assicurano di essere già al lavoro per costruirne una versione portatile, con cui iniziare realmente ad esplorarne tutte le potenzialità.


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Mario Calabresi
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