Gli attuali orologi atomici sono basati sulle microonde emesse dagli elettroni di un atomo quando passano da un livello energetico a un altro. I migliori orologi sperimentali mantengono una precisione elevatissima, mancando un secondo ogni 3,1 miliardi anni. Tali oscillazioni interne atomiche sono determinate dalle interazioni tra gli elettroni dell'atomo e il suo nucleo e da altri effetti quantistici. I ricercatori dell'Università della California, a Berkeley, guidati dal fisico Holger Müller, descrivono il nuovo orologio nella rivista scientifica Science. Müller e i suoi colleghi dichiarano che il loro lavoro rievoca i principi fondamentali della meccanica quantistica – riprendendo le dimostrazioni di Arthur Compton, ovvero che i fotoni dei raggi X sono in grado di fornire un impulso rilevabile per dare lo slancio a un elettrone e l’intuizione successiva di Louis de Broglie, che gli elettroni in movimento (e gli atomi) si comportano come onde.
Scavando con il tempo nelle basi della fisica
I fisici Compton e de Broglie, entrambi premi Nobel negli anni ’30, hanno contribuito alla comprensione delle basi fondamentali della fisica quantistica. Nel 1924, quando la scoperta dell'effetto Compton conferma il dualismo onda-particella della luce, il francese Louis De Broglie espone per le particelle di materia una teoria in analogia a quella della radiazione elettromagnetica della luce. Compton e de Broglie forniscono una definitiva conferma che le particelle elementari (elettroni e fotoni di luce) hanno una componente sia energetica che corpuscolare. Ogni particella di massa deve essere descritta da un'onda quantistica che oscilla su e giù, anche se la particella è ferma nello stesso punto. Più pesante è l'atomo, più alta è la frequenza di tale oscillazione, proprietà nota come “frequenza Compton”.
In linea di principio, l'oscillazione quantistica può essere usata per misurare il tempo. Non esiste, nella pratica, un modo diretto per stimare la "frequenza Compton", ma Müller e il suo team hanno trovato un modo per contare i cicli di Compton. I ricercatori sono partiti da una “nuvola” di circa 1 milione di atomi di cesio e l’hanno suddivisa in due parti uguali. A una metà è stata data una serie di 10 “urti di fotoni” tramite minuscoli laser, mentre l’altra è stata lasciata decadere senza interferenze. Il risultato è che la prima metà dell’onda quantica oscilla più lentamente dell’altra. Questa differenza viene controllata con precisione dagli scienziati e una semplice equazione calcola la "frequenza di differenza", che può essere letta come il ticchettio di un orologio di estrema precisione.
Ridefiniamo il chilogrammo
Con una esattezza di 4 parti per miliardo, "non è meglio degli originali orologi atomici di 50 anni fa", ammette Müller, ma aggiunge, “ciò che è più importante è il fatto che l'unico parametro fisico che compare nell'espressione matematica per calcolare la frequenza di questo orologio è la massa degli atomi di cesio. Ogni altro orologio", spiega lo scienziato, "comporta un riferimento utilizzando almeno due particelle che interagiscono. Questo orologio, invece, è il primo ad essere basato interamente su una singola particella avente massa". Lo stretto legame tra massa e tempo significa che il dispositivo potrebbe servire come base per una nuova definizione del Kg. Steven Chu, Segretario all'energia Usa e premio Nobel per la fisica è d'accordo: "Questa ricerca apre la possibilità che l’unità di misura di massa possa essere ridefinita in termini di una quantità atomica, anziché basarsi su un pezzo di metallo", dichiara, riferendosi al prototipo internazionale composto da una lega di platino e iridio conservato presso l'Ufficio Internazionale di Pesi e Misure di Parigi, che serve come il Kg prototipo per il Sistema Internazionale di unità di misura (SI).
Gli orologi atomici scandiscono il tempo per tutto il mondo
Un orologio campione atomico sfrutta il fatto che un atomo può assorbire le radiazioni elettromagnetiche (come un fascio di luce) a certe frequenze, facendo “saltare” i suoi elettroni da uno stato energetico ad un altro. Un orologio di questo tipo viene esposto essenzialmente a radiazioni e la sintonizzazione dell’energia degli atomi scandisce il ticchettio dell'orologio. Su questa base viene mantenuta una scala del tempo stabile e continua: il Tempo Atomico Internazionale (International Atomic Time). Il primo orologio atomico sufficientemente accurato fu costruito nel 1955 da Louis Essen al National Physical Laboratory in Gran Bretagna e installato presso l'osservatorio di Greenwich a Londra, dove tutt’ora è in funzione.
