L’orologio più preciso al mondo consentirà di sondare il tessuto di base dello spazio-tempo

Potrebbero volerci 15 miliardi di anni, all’incirca la vita dell’universo, perché l’orologio che occupa il laboratorio di Jun Ye, sotterraneo dell’Università del Colorado, perda un secondo. È l’orologio più preciso al mondo. Per la loro invenzione, lo scienziato cinese-americano Jun Ye e il giapponese Hidetoshi Katori divideranno $ 3 milioni (circa 2,5 milioni di euro) come vincitori del premio Breakthrough 2022 in Fundamental Physics.

Lavorando in modo indipendente, i due scienziati hanno sviluppato tecniche laser per catturare e raffreddare gli atomi, catturando le loro vibrazioni, per costruire i cosiddetti “orologi di rete ottici”, i pezzi di temporizzazione più precisi mai costruiti. Questi orologi perdono un secondo ogni 15 miliardi di anni. In confronto, gli orologi atomici di oggi perdono un secondo ogni 100 milioni di anni.

Ma cosa si guadagna con questa maggiore precisione?

“È davvero uno strumento che ci consente di sondare il tessuto di base dello spazio-tempo nell’universo“, ha spiegato Ye. In laboratorio, gli scienziati hanno dimostrato che il tempo scorre più lentamente quando l’orologio si avvicina al suolo, in linea con la teoria della relatività di Einstein.

Applicati alla tecnologia attuale, questi orologi potrebbero migliorare di mille volte la precisione della navigazione GPS o aiutare un aereo spaziale senza equipaggio ad atterrare su Marte senza problemi.

Migliorare l’accuratezza e la precisione del tempo è stato un obiettivo sin da quando gli antichi egizi e i cinesi costruivano le meridiane. Una svolta fondamentale è arrivata con l’invenzione dell’orologio a pendolo nel 1656, che si basa su una massa oscillante. Decenni dopo, i cronometri erano abbastanza precisi da determinare la longitudine di una barca in mare.

All’inizio del XX secolo sono comparsi gli orologi al quarzo, che quando ricevono una carica di elettricità, vibrano a frequenze molto alte e specifiche, con un numero di tic al secondo. Gli orologi al quarzo sono onnipresenti nell’elettronica moderna, ma sono ancora in qualche modo suscettibili alle variazioni causate dal processo di fabbricazione o da condizioni come la temperatura.

Il successivo grande salto temporale è venuto dallo sfruttare i movimenti degli atomi stimolati con l’energia per sviluppare orologi atomici, che sono immuni agli effetti delle variazioni ambientali. I fisici sanno che solo una frequenza molto alta può far sì che particelle o elettroni che orbitano attorno al nucleo di un tipo specifico di atomo saltino su un’orbita più lontana dal nucleo, con uno stato energetico più elevato. Gli orologi atomici generano la frequenza approssimativa che fa sì che gli atomi dell’elemento Cesio si spostino in questo stato energetico superiore. Quindi, un rilevatore conta il numero di questi atomi eccitati regolandone la frequenza, se necessario, per rendere l’orologio ancora più preciso. La precisione è così grande che dal 1967 la seconda è definita come le 9.192.631.770 oscillazioni di un atomo di Cesio.

In laboratorio, Katori e Ye hanno trovato modi per migliorare ulteriormente gli orologi atomici spostando le oscillazioni all’estremità visibile dello spettro elettromagnetico a frequenze centomila volte superiori a quelle utilizzate negli orologi atomici odierni, per renderli ancora più precisi.

I due scienziati si sono resi conto che avevano bisogno di un modo per catturare gli atomi, in questo caso lo stronzio, e mantenerli stabili a temperature ultra basse, per aiutare a misurare con precisione il tempo.

Se gli atomi cadessero a causa della gravità o si spostassero, ci sarebbe una perdita di precisione e la relatività causerebbe distorsioni nei tempi. Per catturare gli atomi, i ricercatori hanno creato una “rete ottica” di onde laser che si muovono in direzioni opposte per creare una forma stazionaria, simile a una scatola per le uova.

Catturare il tempo

L'”orologio di rete ottico” conservato nel laboratorio di Jun Ye all’Università del Colorado
Ye è entusiasta del potenziale uso del suo orologio. Ad esempio, sincronizzare gli orologi dei migliori osservatori del mondo alle più piccole frazioni di secondo consentirebbe agli astronomi di studiare meglio i buchi neri.

Orologi più precisi possono anche far luce sui processi geologici della Terra. La relatività dice che il tempo rallenta quando si avvicina a un corpo massiccio e un orologio sufficientemente accurato potrebbe dire la differenza tra roccia solida e lava vulcanica sotto la superficie, aiutando a prevedere un’eruzione.

Ye crede che la prossima grande sfida sarà quella di miniaturizzare la tecnologia, per farla uscire dal laboratorio. E ammette che a volte è difficile spiegare al pubblico i fondamenti della fisica. “Ma quando le persone sentono parlare di orologi, sentono che è qualcosa di tangibile, possono connettersi con il concetto. È molto gratificante”.