I fisici svelano l'orologio più preciso del mondo (e un gemello con cui confrontarlo)

Gli orologi sono una delle tecnologie abilitanti del mondo moderno. Senza orologi altamente precisi, il sistema di posizionamento globale non funzionerebbe correttamente, né sarebbe possibile sincronizzare reti su grandi distanze. E i fisici si affidano agli orologi per testare le leggi fondamentali dell'universo a livelli sempre più profondi.

Quindi avere orologi più precisi e affidabili è un obiettivo importante.

Oggi, Andrew Ludlow del National Institute of Standards and Technology di Boulder e alcuni amici svelano i due orologi più precisi mai costruiti. Dicono che i loro nuovi orologi possono tenere il tempo con una precisione senza precedenti di una parte su 10-18.

Ludlow e co. hanno messo questo in prospettiva: una misurazione al livello frazionario 1018 equivale a specificare l'età dell'universo conosciuto con una precisione inferiore a un secondo o il diametro della Terra a meno della larghezza di un atomo.

Il loro orologio è una semplice bestia, almeno in linea di principio. L'idea di base è che un secondo può essere definito dalla frequenza della luce emessa da un atomo quando gli elettroni nello stato fondamentale saltano in un altro stato.

La difficoltà è misurare accuratamente questa frequenza. Questo perché ogni piccolo movimento dell'atomo genera un effetto Doppler che sposta la frequenza. Inoltre, i campi elettrici vaganti possono spostare queste transizioni elettroniche, cambiando la loro frequenza, un fenomeno noto come spostamento di Stark. Superare queste piccole fonti di errore è la sfida principale nella costruzione di orologi precisi.

Ludlow e i suoi amici lo hanno fatto utilizzando una tecnologia nota come orologio a reticolo ottico. In questo approccio, fanno rimbalzare un laser su uno specchio per creare un'onda di luce stazionaria che forma un reticolo per intrappolare gli atomi. Questa è una specie di scatola delle uova in cui siedono gli atomi.

Quindi riempiono questa scatola delle uova con atomi di itterbio e li colpiscono con un altro laser per vedere la frequenza alla quale si verifica la transizione elettronica.

La scatola delle uova è importante perché tiene gli atomi in una morsa che riduce al minimo gli effetti Doppler.

Tuttavia, i campi elettrici associati alla luce generano uno spostamento Stark. Il team aggira questo problema scegliendo una cosiddetta transizione magica nell'itterbio in cui entrambi gli stati elettronici vengono spostati della stessa quantità, lasciando invariata la frequenza di transizione.

E poiché la scatola delle uova può essere riempita con molti atomi, Ludlow e co-possono effettuare le loro misurazioni utilizzando molti atomi in modo da ottenere un segnale più chiaro.

Il risultato è un orologio che perde solo un tick su 1018 tock.

Ovviamente, non c'è modo di misurare la precisione di un singolo orologio, motivo per cui questi ragazzi ne hanno due.

I nuovi orologi rendono immediatamente possibili una serie di nuove e importanti applicazioni. Questi orologi sono così sensibili che possono facilmente misurare il redshift gravitazionale, in cui gli orologi ticchettano più lentamente in campi gravitazionali più potenti. In altre parole possono percepire i cambiamenti di altezza.

I migliori orologi oggi sono sensibili a variazioni di molti metri o chilometri. Il nuovo orologio dovrebbe essere in grado di discernere cambiamenti di circa 1 cm sulla superficie terrestre. Questo sarà per applicazioni come l'idrologia, la geologia e la misurazione dei cambiamenti della banchisa negli studi sui cambiamenti climatici.

Sarebbe inoltre opportuno che i fisici verificassero se cose come lo spostamento verso il rosso gravitazionale e la struttura fine cambiano costantemente con la posizione, importanti test fondamentali della fisica.

Il miglioramento degli orologi è un processo continuo che l'umanità ha intrapreso nel corso di diverse migliaia di anni. Questi ultimi segnatempo sono l'impressionante culmine di tutto questo lavoro e tuttavia sono destinati ad essere eclissati in un futuro non troppo lontano.

In effetti Ludlow e compagni indicano vari miglioramenti che avrebbero dovuto apportare nel prossimo futuro per migliorare ulteriormente il loro orologio. E quando lo faranno i prossimi orologi saranno ancora meglio. Tale è la natura della tecnologia.

Rif: http://arxiv.org/abs/1305.5869 : Un orologio atomico con instabilità 10-18

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