Gli orologi per misurare il tempo passato, presente e futuro
di Christophe Salomon
Le tecnologie
atomiche di misurazione
del tempo sono così precise da rilevare la differenza di gravità tra due punti distanti un millimetro. Stabilire l'ora esatta ha ricadute enormi, dalla fisica all'economia. Fino alla comprensione dell'universo
Oggi a Milano si tiene la 13ª edizione di InteR-La+B, il laboratorio interdisciplinare promosso dalla Fondazione Balzan, quest’anno dedicato al tema “Clocks: History and Future”. Al centro della giornata una riflessione sul tempo. Protagonista dell’incontro è Christophe Salomon, premio Balzan 2025 per gli Atomi e la misurazione ultraprecisa del tempo, di cui anticipiamo il nucleo della lezione.
Da sempre l’uomo cerca di misurare il tempo. All’inizio lo ha fatto osservando l’alternanza del giorno e della notte, il movimento del Sole e della Luna, il susseguirsi delle stagioni. Erano strumenti utili, ma tutt’altro che precisi. E quando, a partire dall’età delle grandi esplorazioni, si è reso necessario conoscere con accuratezza la propria posizione in mare, misurare il tempo è diventato una questione decisiva.
I primi strumenti di precisione furono gli orologi a pendolo, sviluppati nel XVII secolo da Galileo e Huygens. Ma la storia della misurazione del tempo è anche la storia di una straordinaria sfida scientifica e tecnologica. Nel 1707, dopo un tragico naufragio nelle isole Scilly, il Parlamento britannico istituì un premio di 20.000 sterline per chi avesse trovato una soluzione al problema della determinazione della longitudine. Nel XVIII secolo, il carpentiere John Harrison dedicò la sua vita alla costruzione di cinque orologi marini. Nel 1761, il suo H4, testato durante un viaggio di andata e ritorno verso le Barbados, perse appena cinque secondi in 81 giorni. Una precisione straordinaria per l’epoca.
Oggi la situazione è radicalmente cambiata. Gli strumenti più precisi che abbiamo per misurare il tempo sono gli orologi atomici. La ragione è semplice e profonda: gli atomi di una stessa specie, come quelli di cesio, sono identici e il loro comportamento è descritto con grande precisione dalla fisica quantistica. L’invenzione del laser, nel 1960, ha poi aperto nuove possibilità, utilizzando la luce, gli scienziati possono raffreddare gli atomi fino a temperature prossime allo zero assoluto e rallentarne enormemente il movimento. Atomi così lenti possono essere osservati più a lungo e diventano quindi strumenti straordinariamente precisi per misurare il tempo.
Rallentare gli atomi significa poterli osservare più a lungo e, quindi, misurare il tempo con maggiore precisione. È questo il principio delle fontane atomiche di cesio, utilizzate per realizzare l’unità internazionale di misura del tempo, il secondo. Gli atomi vengono lanciati verticalmente contro la gravità, per poi ricadere verso il basso, proprio come l’acqua di una fontana. In questo modo è possibile aumentare considerevolmente il tempo di interazione tra gli atomi e i campi elettromagnetici.
Il risultato è sorprendente: gli odierni orologi a fontana atomica hanno un errore inferiore a un secondo ogni 300 milioni di anni. Circa quindici fontane al cesio, distribuite nel mondo, vengono confrontate continuamente e contribuiscono alla definizione del riferimento internazionale del tempo, il Temps Atomique International.
Una precisione apparentemente astratta ha in realtà conseguenze molto concrete sulla nostra vita quotidiana. I sistemi di navigazione satellitare, come GPS e Galileo, utilizzano orologi atomici estremamente stabili a bordo dei satelliti e consentono a ciascuno di noi di determinare la propria posizione con una precisione dell’ordine del metro. Una sincronizzazione temporale accuratissima è indispensabile anche per le telecomunicazioni, la gestione del traffico aereo e ferroviario, le reti informatiche e le transazioni bancarie.
Ma la possibilità di misurare il tempo con una precisione sempre maggiore non riguarda soltanto la tecnologia. Gli orologi ultraprecisi sono oggi strumenti fondamentali per mettere alla prova le nostre conoscenze sulla natura. Permettono, per esempio, di verificare con maggiore accuratezza la relatività generale di Einstein, di studiare la stabilità delle costanti fondamentali della fisica e di cercare eventuali tracce della materia oscura. Anche lo spazio offre un laboratorio straordinario, presenteremo i primi risultati della missione ESA/CNES che sta operando un orologio primario al cesio raffreddato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
I primi strumenti di precisione furono gli orologi a pendolo, sviluppati nel XVII secolo da Galileo e Huygens. Ma la storia della misurazione del tempo è anche la storia di una straordinaria sfida scientifica e tecnologica. Nel 1707, dopo un tragico naufragio nelle isole Scilly, il Parlamento britannico istituì un premio di 20.000 sterline per chi avesse trovato una soluzione al problema della determinazione della longitudine. Nel XVIII secolo, il carpentiere John Harrison dedicò la sua vita alla costruzione di cinque orologi marini. Nel 1761, il suo H4, testato durante un viaggio di andata e ritorno verso le Barbados, perse appena cinque secondi in 81 giorni. Una precisione straordinaria per l’epoca.
Oggi la situazione è radicalmente cambiata. Gli strumenti più precisi che abbiamo per misurare il tempo sono gli orologi atomici. La ragione è semplice e profonda: gli atomi di una stessa specie, come quelli di cesio, sono identici e il loro comportamento è descritto con grande precisione dalla fisica quantistica. L’invenzione del laser, nel 1960, ha poi aperto nuove possibilità, utilizzando la luce, gli scienziati possono raffreddare gli atomi fino a temperature prossime allo zero assoluto e rallentarne enormemente il movimento. Atomi così lenti possono essere osservati più a lungo e diventano quindi strumenti straordinariamente precisi per misurare il tempo.
Rallentare gli atomi significa poterli osservare più a lungo e, quindi, misurare il tempo con maggiore precisione. È questo il principio delle fontane atomiche di cesio, utilizzate per realizzare l’unità internazionale di misura del tempo, il secondo. Gli atomi vengono lanciati verticalmente contro la gravità, per poi ricadere verso il basso, proprio come l’acqua di una fontana. In questo modo è possibile aumentare considerevolmente il tempo di interazione tra gli atomi e i campi elettromagnetici.
Il risultato è sorprendente: gli odierni orologi a fontana atomica hanno un errore inferiore a un secondo ogni 300 milioni di anni. Circa quindici fontane al cesio, distribuite nel mondo, vengono confrontate continuamente e contribuiscono alla definizione del riferimento internazionale del tempo, il Temps Atomique International.
Una precisione apparentemente astratta ha in realtà conseguenze molto concrete sulla nostra vita quotidiana. I sistemi di navigazione satellitare, come GPS e Galileo, utilizzano orologi atomici estremamente stabili a bordo dei satelliti e consentono a ciascuno di noi di determinare la propria posizione con una precisione dell’ordine del metro. Una sincronizzazione temporale accuratissima è indispensabile anche per le telecomunicazioni, la gestione del traffico aereo e ferroviario, le reti informatiche e le transazioni bancarie.
Ma la possibilità di misurare il tempo con una precisione sempre maggiore non riguarda soltanto la tecnologia. Gli orologi ultraprecisi sono oggi strumenti fondamentali per mettere alla prova le nostre conoscenze sulla natura. Permettono, per esempio, di verificare con maggiore accuratezza la relatività generale di Einstein, di studiare la stabilità delle costanti fondamentali della fisica e di cercare eventuali tracce della materia oscura. Anche lo spazio offre un laboratorio straordinario, presenteremo i primi risultati della missione ESA/CNES che sta operando un orologio primario al cesio raffreddato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
La ricerca non si ferma qui. Gli scienziati stanno sviluppando orologi ancora più precisi, basati sulla luce visibile e capaci di misurare intervalli di tempo con una sensibilità straordinaria. Ma il vero interesse di questi strumenti non sta soltanto nella loro precisione, è proprio grazie a essa che possiamo osservare fenomeni della natura che fino a poco tempo fa erano al di là delle nostre possibilità. Anche la gravità, infatti, modifica il modo in cui il tempo scorre. Oggi siamo arrivati al punto di poter misurare questa differenza persino tra punti distanti appena un millimetro. È un risultato che mostra quanto profondamente la teoria della relatività di Einstein continui a essere confermata dalla ricerca sperimentale.
In futuro, gli orologi atomici ottici potrebbero portare a una nuova definizione del secondo, molto più precisa di quella attuale. Ma questa evoluzione non riguarda soltanto il modo in cui misuriamo il tempo. Una misura sempre più accurata ci permette di conoscere meglio la Terra, studiare l’universo e mettere alla prova le nostre teorie sulla natura. È questa, forse, la cosa più affascinante: ogni volta che impariamo a misurare il tempo con maggiore precisione, scopriamo qualcosa di nuovo sul mondo che ci circonda.
Il futuro potrebbe portarci a una nuova definizione del secondo, basata sugli orologi atomici ottici, con una precisione cento volte superiore a quella degli attuali orologi al cesio. Non si tratta soltanto di costruire strumenti più precisi. Misurare il tempo con una precisione sempre maggiore significa aprire una nuova finestra sulla realtà, sulla fisica fondamentale, sulla Terra e sui suoi fenomeni, sulle comunicazioni e, in ultima analisi, sulla nostra capacità di comprendere l’universo.
In futuro, gli orologi atomici ottici potrebbero portare a una nuova definizione del secondo, molto più precisa di quella attuale. Ma questa evoluzione non riguarda soltanto il modo in cui misuriamo il tempo. Una misura sempre più accurata ci permette di conoscere meglio la Terra, studiare l’universo e mettere alla prova le nostre teorie sulla natura. È questa, forse, la cosa più affascinante: ogni volta che impariamo a misurare il tempo con maggiore precisione, scopriamo qualcosa di nuovo sul mondo che ci circonda.
Il futuro potrebbe portarci a una nuova definizione del secondo, basata sugli orologi atomici ottici, con una precisione cento volte superiore a quella degli attuali orologi al cesio. Non si tratta soltanto di costruire strumenti più precisi. Misurare il tempo con una precisione sempre maggiore significa aprire una nuova finestra sulla realtà, sulla fisica fondamentale, sulla Terra e sui suoi fenomeni, sulle comunicazioni e, in ultima analisi, sulla nostra capacità di comprendere l’universo.
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