Negli ultimi giorni sono stati pubblicati i risultati di uno studio, attualmente disponibile su arXiv, che ha reso possibile lo sviluppo dell’orologio atomico più accurato di qualsiasi altro costruito in precedenza.

L’orologio atomico è uno strumento di misurazione estremamente preciso, tale per cui la base del tempo è determinata dalla frequenza di risonanza di un atomo e il cui funzionamento si fonda su principi fisici complessi.

Sin dall’antichità l’uomo ha avvertito la necessità di scandire e misurare il tempo: le meridiane rappresentarono il primo strumento di cui ci si serviva nell’antico Egitto per monitorarlo. Esse erano costituite da un’asta, detta “gnomone”, e da un quadrante, uniti da un meccanismo che utilizzava come riferimento la rotazione terrestre, indicata dall’ombra proiettata dallo gnomone sul quadrante, in cui erano segnate le ore.

Gli Egizi impiegarono inoltre orologi ad acqua, successivamente sostituiti con le clessidre, diffuse a partire dal XIV secolo, che trovarono ampia applicazione nell’ambito della navigazione, in quanto consentivano di misurare il tempo anche di notte.

Alla fine del XIII secolo furono ideati i primi dispositivi meccanici, costituiti da ingranaggi azionati da un peso legato a una corda e collegati a una lancetta. Tuttavia, risultavano poco precisi, a differenza degli orologi a pendolo, la cui invenzione risale al XVII secolo: l’intuizione circa l’uso del pendolo si deve a Galileo Galilei, che ne misurò la regolarità studiandone l’isocronismo. Egli realizzò poi dei modelli grafici, che furono elaborati dall’olandese Christiaan Huygens, a cui è attribuita l’effettiva realizzazione del dispositivo, il cui funzionamento si basa su un meccanismo che trasforma il moto alternato del pendolo in una rotazione regolare di ingranaggi.

Successivamente, nel XIX secolo, si diffusero gli orologi da tasca, basati sul principio del “bilanciere”, simile a quello pendolo, che si serviva però di una molla, da ricaricare periodicamente, la quale trasmetteva alle lancette la sua energia, spingendo il bilanciere. Sul medesimo meccanismo si fonda il funzionamento degli orologi da polso, fabbricati nel 1868, la cui utilità si rese evidente nel corso della Prima Guerra Mondiale, poiché furono impiegati per sincronizzare gli attacchi degli eserciti.

Negli anni Cinquanta si iniziarono ad utilizzare, al posto della molla, batterie che fornivano elettricità, tramite cui veniva indotto il moto del bilanciere. Dieci anni dopo fecero la loro comparsa sul mercato gli orologi al quarzo, il quale, sottoposto a corrente elettrica, vibra a frequenza costante, garantendo maggiore accuratezza.

Gli orologi atomici risultano i più precisi, poiché dipendono dalle radiazioni elettromagnetiche assorbite ed emesse dagli atomi a intervalli di tempo costanti. Il margine di errore che li caratterizza consiste in un secondo ogni cinque miliardi di anni.

Il primo modello sperimentale fu costruito nel 1949 negli Stati Uniti e nel 1955 fu installato, presso l’osservatorio di Greenwich, un orologio atomico, il cui meccanismo si fondava sulle transizioni di livelli energetici dell’atomo di cesio. Grazie a tali dispositivi fu stabilita dal Sistema Internazionale l’unità di misura del tempo che utilizziamo ancora oggi.

L’attuale orologio atomico più preciso al mondo si trova presso i laboratori del “Jila” (Joint Institute for Laboratory Astrophysics), facente parte del National Institute of Standards and Technology e congiunto all’Università del Colorado. Esso si serve di un reticolo ottico che cattura decine di migliaia di atomi di stronzio per misurarne simultaneamente una particolare transizione, indotta da raggi laser, i quali innescano il passaggio di livello energetico degli elettroni. Ciascuna oscillazione elettronica consiste in un ticchettio dell’orologio.

Comprendiamo il motivo per cui la precisione di tali dispositivi risulta indispensabile, se pensiamo, per esempio, ai sistemi di navigazione satellitare: i segnali si propagano alla velocità della luce e un errore sul tempo di volo di un milionesimo di secondo determinerebbe una variazione di posizionamento su terra di circa trecento metri.

Si tratta di uno strumento che implica enormi possibilità in campo scientifico: con alte probabilità sarà possibile osservare gli effetti della relatività generale su scala submillimetrica e colmare, di conseguenza, il divario tra mondo quantistico e fenomeni misurabili su larga scala. L’utilizzo del nuovo orologio atomico consentirà una maggiore accuratezza per quanto riguarda gli spostamenti spaziali, in particolare in riferimento all’atterraggio su Marte, a cui si sta lavorando da decenni. Infine, gli esperti ritengono che il meccanismo di cattura degli atomi tramite raggi laser potrebbe condurre a notevoli progressi nell’ambito dell’informatica quantistica.

Gaia Romano