I fisici hanno sviluppato un orologio atomico così accurato da spegnersi di meno di un secondo in 14 miliardi di anni. Questo tipo di accuratezza e precisione lo rende più di un semplice orologio. È un potente strumento scientifico che potrebbe misurare le onde gravitazionali, prendere la misura della forma gravitazionale della Terra e forse persino rilevare la materia oscura.
Come hanno fatto?
I fisici del National Institute of Standards and Technology affermano che il loro nuovo orologio atomico si basa sull'itterbio elemento di terre rare. Usano una griglia di raggi laser chiamata reticolo ottico per intrappolare 1000 atomi di itterbio. Gli atomi naturalmente "spuntano" passando da due livelli di energia. Quell'azione si chiama transizione atomica dell'elettrone e richiede nanosecondi. Ogni volta che spuntano o cambiano i livelli di energia, gli elettroni emettono energia a microonde, che può essere rilevata. I fisici del NIST hanno costruito due di questi orologi a itterbio e, confrontandoli, hanno raggiunto prestazioni da record.
Questa performance da record è misurata in tre modi:
- Incertezza sistematica: ecco come l'orologio rappresenta le vibrazioni naturali degli atomi di itterbio. L'orologio di itterbio era spento di solo un miliardesimo di un miliardesimo.
- Stabilità: indica quanto cambia la frequenza dell'orologio in un determinato momento. In questo caso, hanno misurato il loro orologio a itterbio e questo è cambiato di solo 0,00000000000000000032) in un giorno.
- Riproducibilità: misura quanto due orologi a itterbio si avvicinano alla stessa frequenza. In 10 confronti tra la coppia di orologi, la differenza era di nuovo inferiore a un miliardesimo di miliardesimo.
"L'incertezza, la stabilità e la riproducibilità sistematiche possono essere considerate la" scala reale "delle prestazioni di questi orologi", ha dichiarato il leader del progetto Andrew Ludlow in un comunicato stampa. "L'accordo dei due orologi a questo livello senza precedenti, che noi chiamiamo riproducibilità, è forse il singolo risultato più importante, perché essenzialmente richiede e conferma gli altri due risultati."
Einstein ci ha mostrato che il tempo passa in modo diverso a seconda della gravità che anche tu sei soggetto. Il ticchettio degli atomi in un orologio atomico viene rallentato se osservato con una gravità maggiore. Sulla cima del monte L'Everest, ad esempio, il tempo si muove più rapidamente rispetto al fondo della Fossa delle Marianne. Questo perché, qui sulla Terra, la forza di gravità è concentrata al centro del pianeta. Più ti allontani dal centro, minore è la gravità. L'effetto non è eccezionale, forse solo un milionesimo di secondo. Ma è lì. Sembra in qualche modo contro-intuitivo, ma è quello che Einstein ha mostrato, e si è dimostrato corretto.
La cosa eccezionale di questo nuovo orologio atomico è che la sua dimostrata riproducibilità significa che l'errore dell'orologio è inferiore alla nostra capacità di rilevare l'effetto gravitazionale sul tempo qui sulla Terra.
Il fisico del NIST Andrew Ludlow lo spiega in questo modo: “… la riproducibilità dimostrata mostra che l'errore totale degli orologi scende al di sotto della nostra capacità generale di tenere conto dell'effetto della gravità sul tempo qui sulla Terra. Quindi, poiché immaginiamo orologi come questi usati in tutto il paese o nel mondo, le loro prestazioni relative sarebbero, per la prima volta, limitate dagli effetti gravitazionali della Terra ".
I fisici affermano che ora che abbiamo un orologio la cui precisione è maggiore dell'effetto gravitazionale sul tempo, possiamo usare l'orologio per misurare la forma gravitazionale della Terra. Il solito modo di misurare la forma gravitazionale della Terra è misurare le sue maree. Gli indicatori di marea posizionati in tutto il mondo vengono utilizzati, ma la loro precisione è solo con diversi centimetri. I nuovi orologi potrebbero ridurre tale precisione a meno di un singolo centimetro.
In effetti, questi orologi a itterbio possono essere usati per misurare molto più della forma gravitazionale terrestre. Possono essere usati per misurare lo spazio-tempo stesso e per rilevare le onde gravitazionali dall'universo primordiale. È possibile che possano persino misurare la materia oscura. A questo livello di accuratezza e precisione, questo strumento è molto più di un semplice orologio.
Non è solo la gravità che può effettuare un orologio come l'orologio a itterbio. Altri effetti ambientali possono compromettere l'accuratezza del dispositivo. Devono essere mantenuti raffreddati e devono essere isolati da qualsiasi campo elettrico disperso. I nuovi orologi sono protetti dagli effetti elettrici e di calore in modo che possano essere contabilizzati e corretti.
Con miglioramenti come la schermatura elettrica e termica, i fisici stanno costruendo orologi itterbio portatili che possono essere trasportati in diversi laboratori per misurare e confrontare altri orologi. Potrebbero anche essere spostati in altri luoghi per studiare le tecniche di geodesia relativistica. Questo cambierebbe il gioco, perché attualmente i nostri migliori orologi atomici sono i cosiddetti "orologi a fontana" di dimensioni ambiente che usano l'atomo di cesio per definire il secondo.
Ma tutto ciò potrebbe cambiare con i nuovi orologi.
I precedenti orologi atomici si basano sull'elemento cesio, che finora ha fornito il cronometraggio più accurato disponibile. La vibrazione dell'atomo di cesio è stata utilizzata dagli anni '60 per definire la durata di un singolo secondo nel Sistema internazionale di unità (ISU). Ma con lo sviluppo dell'orologio a itterbio, il tempo del caesio potrebbe essere scaduto.
Il primo orologio al cesio è stato costruito nel 1955 e da allora è stato il gold standard. La definizione ufficiale del secondo, se sei interessato, è in uso dal 1967. Dice: “Il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini del terreno stato dell'atomo di Cesio 133 ". Poi nel 1997 lo hanno chiarito nel senso che il cesio doveva essere a 0 Kelvin.
Altri orologi atomici sono stati costruiti utilizzando il rubidio, che può essere reso portatile. Non sono accurati come il cesio, ma sono abbastanza buoni per applicazioni come GPS, stazioni base per telefoni cellulari e per controllare la frequenza delle stazioni televisive. Ma con lo sviluppo del nuovo orologio atomico che utilizza l'atomo di itterbio, potremmo avere il meglio di entrambi i mondi: precisione scientifica senza precedenti e portabilità.
Il nuovo orologio atomico a itterbio è un candidato di spicco per ridefinire la definizione della durata di un secondo. Questo perché soddisfa la soglia di precisione definita dal Sistema internazionale di unità. Tale organismo ha affermato che qualsiasi nuova definizione richiederebbe un miglioramento di 100 volte della precisione convalidata rispetto agli orologi al cesio attualmente utilizzati per definire il secondo.
Definivamo il tempo tramite la rotazione della Terra, ma da allora abbiamo fatto molta strada. Un orologio atomico che utilizza la frequenza di tick di un elemento di terra rara per misurare la forma gravitazionale della Terra, le onde gravitazionali dell'Universo primordiale e forse anche la materia oscura è qualcosa che nessun umano storico avrebbe mai potuto immaginare quando avessero bloccato un bastone il terreno per fare un quadrante solare.
- Comunicato stampa: gli orologi atomici NIST ora tengono abbastanza tempo per migliorare i modelli della Terra
- Research Paper: prestazioni dell'orologio atomico oltre il limite geodetico
- Notizie dal MIT: cronometraggio atomico, in movimento
- Wikipedia: orologio atomico
- Wikipedia: Cesio standard
- Wikipedia: transizione di elettroni atomici
