OROLOGI ATOMICI: IL TEMPO MISURATO CON GLI ATOMI

Segnare l'ora esatta per 15 miliardi di anni, cioè più dell'età che si pensa abbia l'Universo! Certo l'orologio più preciso al mondo, costruito dai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) statunitense, non durerà tanto (e nemmeno il Sistema solare con la nostra Terrà, a dire il vero) ma la sua precisione è sbalorditiva.

Quale sistema è in grado di misurare il tempo in maniera così puntuale? La risposta viene dal mondo del molto piccolo: dagli atomi. Il primo orologio atomico fu inventato nel 1949 proprio al NIST e, da allora, ne sono stati costruiti di molti tipi diversi, sempre più precisi, e alcuni li utilizziamo anche noi, nella nostra vita quotidiana.

COM'È FATTO UN OROLOGIO ATOMICO?

Avete presente i vecchi orologi a pendolo? Bene, tutti gli orologi per scandire il tempo devono basarsi su un evento che si ripete sempre uguale a se stesso, cioè “periodico”. Le oscillazioni di un pendolo, però, non sono costanti ed è per questo che gli studiosi hanno continuato a cercare qualcosa che vibrasse sempre con lo stesso “ritmo”.

Ci hanno provato con le lamelle di quarzo, che però negli anni si sfaldano: la vibrazione cambia e addio precisione.

L'intuizione fu di James Clerk Maxwell, un importante matematico e fisico inglese del 1800: se vogliamo misure permanenti e stabili dobbiamo utilizzare gli atomi, perché sono eterni e tutti perfettamente uguali.

«È così – spiega Salvatore Micalizio, ricercatore dell'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (Inrim) di Torino – gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra di loro, che siano sulla Terra o su Marte. E se costruiamo una macchina in cui sono gli atomi a comandare le lancette, allora abbiamo un orologio molto preciso».

COME SI COSTRUISCONO GLI OROLOGI ATOMICI?

«Prima di tutto – continua il ricercatore – si sceglie l'elemento: oggi si usa soprattutto il cesio, perché ha una struttura atomica semplice. Gli atomi vengono poi colpiti da onde elettromagnetiche. La difficoltà sta nel trovare la frequenza giusta per ogni tipo di elemento. È un po' come cercare una stazione della radio quando non si sente bene: andiamo avanti e indietro con i pulsanti finché il segnale non è perfetto. Allo stesso modo, cambiamo la frequenza dell'energia finché non troviamo quella giusta e gli atomi 'rispondono', noi fisici diciamo che vanno in risonanza. Per il cesio la frequenza giusta è quella delle microonde a 9 GHz, che hanno una lunghezza d'onda di circa 3 centimetri».

• Gli orologi atomici detti “a fontana di cesio” (perché gli atomi zampillano come le gocce d'acqua di una fontana) perdono un secondo ogni 150 milioni di anni – un'era geologica!
• Orologi atomici ancora più precisi sono quelli che si basano su altri elementi che rispondono ai raggi laser, cioè alla luce.
• L'orologio atomico costruito con l'elemento itterbio, per esempio, sfrutta la luce gialla che ha una lunghezza d'onda di 578 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro). Tutta questa ossessione per la misurazione del tempo ha più di un motivo. Per esempio, le posizioni geografiche vengono stabilite misurando il tempo che un segnale emesso da un satellite impiega a raggiungere i ricevitori a terra: più è accurata la misurazione del tempo è più lo sarà quella della posizione.

Anche i nostri navigatori ricevono un segnale dal satellite in cui è codificata l'ora esatta dall'orologio atomico a bordo.

C'è poi un motivo puramente scientifico: attraverso la misura delle frequenze degli atomi si possono verificare alcune teorie della fisica, come quella della relatività di Einstein.

Testo di Tiziana Moriconi