Un nuovo tipo di orologio atomico utilizza atomi impigliati. Al massimo, sarebbe fuori di 100 millisecondi dall'inizio dell'universo
Misurare il tempo significa contare i passi. Che si tratti del gocciolamento di un orologio ad acqua, del tic-toc di un orologio meccanico o del cristallo oscillante di un orologio al quarzo. Qualsiasi orologio accurato è costruito attorno al conteggio dei passaggi di qualcosa di regolare e periodico. Niente è perfettamente regolare, quindi nessun orologio tiene il tempo perfetto, ma i nostri orologi stanno diventando molto, molto precisi.
Il tempo è stato tradizionalmente misurato in termini di astronomia, come il sorgere e il tramonto del Sole, o il movimento delle stelle e della Luna. Ci sono stati diversi metodi popolari, ma nel 1800 il tempo era misurato da quello che è noto come il giorno solare medio. Non sempre un giorno dura esattamente 24 ore. Mentre la Terra si muove lungo la sua orbita ellittica, la sua velocità intorno al Sole cambia leggermente, rendendo il giorno leggermente più lungo o più corto a seconda della stagione. Ma prendendo la media (in particolare la media) dei giorni su un anno, gli astronomi potrebbero definire uno standard comune.
Man mano che i nostri orologi meccanici diventavano più precisi, divenne chiaro che il giorno solare medio era problematico. La rotazione della Terra non è costante ma cambia a causa di spostamenti tettonici, e a causa della sua danza gravitazionale con la Luna, la Terra ruota più lentamente nel tempo. Così nel 1956 il tempo era definito in termini di orbita della Terra piuttosto che di sua rotazione.
Una serie di orologi atomici utilizzati per tenere il tempo per l'esercito americano. Credito: Osservatorio navale degli Stati Uniti
Nel 1967, ci siamo allontanati del tutto dall'astronomia quando la lunghezza di un secondo è stata ridefinita in termini di orologio atomico. L'oscillazione misurata non si basa su un atomo, ma sulla luce emessa da un atomo. Gli atomi creano luce quando un elettrone si sposta da uno stato energetico superiore a uno inferiore. Poiché i livelli di energia in un atomo sono quantizzati, la luce viene emessa a una frequenza precisa. Nel 1967 la lunghezza di un secondo è stata fissata definendo una specifica emissione dal cesio-133 comeEsattamente9.192.631.770 Hz. Questo è lo standard che usiamo ancora oggi.
Sebbene lo standard moderno sia ufficialmente esatto, non lo èin realtàesatto. Due orologi atomici dello stesso design mantengono tempi leggermente diversi. Confrontando statisticamente gli orologi atomici, sappiamo che hanno una precisione di circa un secondo in trenta milioni di anni. Probabilmente è abbastanza accurato per l'uso quotidiano, ma non è abbastanza accurato per alcuni scopi scientifici. Se avessimo orologi più precisi, potremmo usarli per studiare di tutto, dalla geologia all'energia oscura. Quindi c'è una continua ricerca per sviluppare un nuovo standard più accurato.
La precisione degli orologi sta migliorando. Credito: Wikipedia
La maggior parte degli approcci guarda a metodi puramente ottici, ma nuovi lavori inNaturautilizza gli atomi nell'entanglement quantistico. Uno dei motivi per cui i moderni orologi atomici non sono perfetti è che gli atomi si ritraggono quando viene emessa luce, il che sposta leggermente la frequenza della luce emessa. Se l'atomo potesse essere mantenuto perfettamente fermo quando emette luce, allora la frequenza della luce sarebbe esatta. Ma la meccanica quantistica mantiene la posizione di un atomo un po' sfocata, il che significa che anche la frequenza della luce emessa è un po' sfocata. Questo effetto è noto come limite quantistico standard.
Per affrontare questo problema, il team utilizza un effetto noto come entanglement quantistico. Usando i laser per comprimere gli atomi insieme, possono forzare gli atomi a interagire a livello quantistico in modo tale che una misurazione su un atomo li misuri anche tutti. Quindi, gli stati di questi atomi sono entangled. Quando un altro laser viene utilizzato per attivare un atomo nell'emissione di luce, si verifica una cascata che sincronizza gli atomi insieme. La luce emessa è quindi molto più precisa del limite quantistico standard.
L'analisi statistica di questo nuovo orologio mostra che può funzionare con una precisione di 100 millisecondi nell'età dell'universo. L'orologio è così preciso che potrebbe verificare se le costanti fisiche universali cambiano nel tempo.
Il nostro standard per il cronometraggio non cambierà presto, ma è chiaro che possiamo fare di meglio. Ad un certo punto in futuro, adotteremo un metodo più accurato. Quando lo faremo, un orologio basato sull'entanglement quantistico potrebbe essere la soluzione. In tal caso, i nostri orologi ufficiali utilizzeranno la stranezza quantistica per superare la confusione quantistica.
Riferimento:Edwin Pedrozo-Peñafiel, et al. ' Entanglement su una transizione di orologio atomico ottico . 'Natura588 (2020): 414