Nei meandri del tempo

La misura dello scorrere del tempo è fondamentale per la nostra società, e lo è sempre stato: dalle antiche meridiane degli Egizi, al moto dei pianeti nel cielo fino ad arrivare alle tecniche più moderne, ogni civiltà di qualsiasi periodo storico ha avuto al necessità di regolarsi.
Una prima rivoluzione è dovuta a Galileo Galilei , grazie ai suoi studi sul pendolo: usare un fenomeno ciclico molto regolare con una frequenza nota permetteva di misurare il tempo semplicemente contando quante volte una oscillazione stava nell’intervallo di tempo considerato.

  [Immagine CC0 creative commons]

Nel corso del tempo gli orologi sono stati perfezionati sempre di più: dall’errore di un minuto ogni giorno, quello del pendolo costruito nel 1656 da Huygens, fino ai due millesimi di secondo di quello costruito nel 1920 da William Shorrt, un ingegnere americano. Una precisione ancora maggiore si ottenne sostituendo all’ oscillazione del pendolo la vibrazione di un cristallo di quarzo posto in un circuito elettrico risonante. L’errore scese fino a pochi milionesimi di secondo al giorno. Il problema di questi orologi era che, nonostante gli accorgimenti, risentivano delle differenti condizioni ambientali a cui erano sottoposti: temperatura, pressione e umidità influivano in maniera significativa sulla misura. Fortunatamente la neo nata teoria della meccanica quantistica venne in aiuto.

Fondamentale è stato capire che un atomo può assorbire o emettere  radiazione elettromagnetica solo a precise lunghezze d’onda, che dipendono dal tipo di atomo in questione. La frequenza di ogni radiazione emessa è legata intrinsecamente alla transizione di un elettrone da un livello energetico più alto a uno più basso: questo rende un singolo atomo un orologio molto, molto preciso. Il primo orologio atomico, basato su atomi di cesio, fu realizzato nel 1955 da due fisici britannici. Già nei primi anni sessanta questo tipo di orologio si diffuse in molti istituti di ricerca in tutto il mondo. Ma come funzionano questi orologi?
 

Il concetto di base è semplice: se ho una radiazione EM di determinata frequenza, allora posso definire l’unità di tempo come il tempo che impiega quella radiazione a compiere un determinato numero di oscillazioni.
                                                    
                                       Le oscillazioni nel tempo di un'onda elettromagnetica
                                          [Immagine CC0 creative commons]
                                       
Per esempio, prendiamo un atomo di cesio 133. Lo eccitiamo fornendogli energia, in modo da spedire i suoi elettroni su determinati livelli energetici. Gli elettroni eccitati torneranno immediatamente al livello più basso possibile, emettendo onde EM con una precisa frequenza. Dopo che l’onda è oscillata per 9 192 631 770 volte è passato un secondo. Ed è proprio così che viene definito.  Ma per realizzare praticamente questi orologi, come si fa?

1. Innanzitutto c’è bisogno di un fascio di radiazione elettromagnetica di cui è possibile manipolare la frequenza con una precisione elevatissima e renderla costante nel tempo. Per farlo vengono utilizzate delle cavità ottiche nelle quali viene intrappolata e fatta “rimbalzare” sulla pareti la radiazione. Le pareti di queste cavità sono mantenute rigorosamente alla stessa distanza (utile) l’una dall’altra. E per rigorosamente intendo dire che si allontanano o avvicinano di una distanza inferiore al diametro di un protone. In questo modo si ottengono frequenze ben determinate.
    
2. C’è poi bisogno di stabilizzare gli atomi che saranno usati come orologi: per farlo vengono raffreddati grazie all’ausilio di particolari laser, che permettono di raggiungere temperature appena sopra lo zero assoluto. In questo modo è possibile ottenere atomi quasi fermi per lunghissimi periodi di tempo.
    
3. Infine serve un dispositivo in grado di contare le oscillazioni della radiazione EM. Solitamente viene utilizzato un altro laser detto pettine, la cui luce viene usata come una sorta di righello per la misura. Il meccanismo è piuttosto complicato, potete approfondirlo qui. 

Ora possiamo capire il funzionamento dell’orologio atomico: un impulso laser (1) viene inviato contro un atomo di ultra-freddo (2). Questo assorbe ed emette fotoni. La lunghezza d’onda del laser incidente viene regolata dalla cavità ottica fino a quando non si rileva il picco di assorbimento da parte dell’atomo (ricordate che un atomo può assorbire solo determinate lunghezze d’onda). A questo punto la lunghezza d’onda è quella corretta. Infine il pettine conta il numero di cicli dell’onda (3). Un multiplo del tempo impiegato per un ciclo definisce l’unità fondamentale di tempo.

                                      Lo schema di funzionamento di un orologio atomico
                                                                        Immagine dell'autore

Al giorno d’oggi gli orologi più precisi hanno un’accuratezza a dir poco impressionante: l’incertezza sulla misura cade sulla diciottesima cifra decimale, o, se preferite, questi orologi sbagliano di un secondo ogni 15 miliardi di anni.
 

Ora apro una parentesi. La Relatività Generale ci insegna che il tempo scorre in maniera differente, in funzione della gravità. Più il campo gravitazionale è intenso e più il tempo scorre lentamente. A sua volta, il campo gravitazionale è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dal corpo. Visto che la nostra testa è più lontana dei nostri piedi dal centro della Terra, il tempo scorre più velocemente per il nostro cervello di quanto non lo faccia per il nostro alluce. Chiaramente sono differenze minime, ma gli orologi atomici di nuova generazione questa differenza la sentono eccome. Quindi capite quanto lo stesso concetto di tempo sia effimero. Quale orologio decide il tempo esatto? In quale momento? Sì perché la gravità della Luna fa cambiare gli esiti della misura, esattamente come i terremoti che spostano grandi masse di terreno. Insomma è un casino.


                                                            [Immagine CC0 creative commons]

La misura del passare del tempo è stato, come ho scritto all’inizio, fondamentale.
Lo è ancora di più nel mondo moderno.
I satelliti del GPS hanno bisogno di precisioni simili: più la misura di tempo è accurata, più precisa è la posizione determinata dai satelliti. In futuro gli orologi atomici potrebbero venire utilizzati per rilevare lo spostamento di materiale nel sottosuolo (più materiale, più gravità, giusto?), per esempio il flusso di lava sotto ad un vulcano, oppure i corsi d’acqua. Quando gli orologi atomici diventeranno tascabili e a prezzi accessibili diventeremo tutti rabdomanti, solo che stavolta funzionerà davvero.
 

Ovviamente la ricerca fondamentale ha bisogno di questi orologi: che siano studi su molecole o su galassie, per verificare (o smentire!) le teorie di cui oggi disponiamo le misure devono avere questa accuratezza.
Un esempio significativo è la misura della costanza… delle costanti fisiche. Per esempio il rapporto tra massa dell’elettrone e del protone o della costante di struttura fine. Alcune teorie prevedono che questi valori non rimangano inalterati nel tempo. Il tempo di transizione degli elettroni nei livelli energetici differisce da atomo ad atomo, e dipende anche dal valore di queste costanti: effettuando la misura con orologi che utilizzano atomi diversi è possibile, in linea di principio, osservare le variazioni nel tempo del loro valore.
La capacità di misurare il tempo con così tanta precisione apre nuovi scenari per la comprensione dell’universo in cui viviamo. E sapete qual è la cosa divertente di tutto questo? È il fatto che, nonostante tutto, che cosa sia di preciso il tempo… non lo sa nessuno!  A questo punto potremmo dilungarci su discussioni filosofiche sulla natura del tempo, ma forse è meglio di no. Sappiate però che già oggi esistono scienziati che tentano di fare a meno del tempo. La teoria della gravità quantistica a loop tenta di conciliare la meccanica quantistica con la Relatività Generale, e nelle sue equazioni c'è una particolarità: il tempo non compare mai. Beh non male. Vedremo se la natura darà ragione a questi teorici, tra cui, ricordo, uno dei più celebri è l'italiano Carlo Rovelli. Personalmente mi piacerebbe veder sparire il fattore "tempo" dalla descrizione fondamentale della natur...hey ma è tardi, devo andare a lezione. Ciao!

Fonti:

         

• https://www.scientificamerican.com/article/hyper-precise-atomic-clocks-face-off-to-redefine-time/
• https://arxiv.org/pdf/1803.02045.pdf
• https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1803/1803.01585.pdf
• https://www.natureasia.com/en/research/highlight/12370/
• https://arxiv.org/pdf/1703.04426.pdf
  

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