Dai bastoni nel terreno agli orologi atomici al cesio, gli esseri umani hanno tenuto traccia del tempo con crescente precisione per millenni., Helen Margolis guarda come abbiamo raggiunto la nostra attuale definizione del secondo, e dove orologio tecnologia sta andando avanti
il 1 ° novembre 2018, quando questo articolo è stato pubblicato in edizione a stampa del Mondo della Fisica, Ho lavorato presso la UK National Physical Laboratory (NPL) in Teddington esattamente a 20 anni e sei giorni. Il motivo per cui so che questo è facile – mi sono iscritto il 26 ottobre 1998 e, con l’aiuto di orologi e calendari, posso misurare il tempo che è passato., Ma cosa facevano le persone prima che arrivassero gli orologi? Come hanno misurato il tempo?
Nel corso dei millenni è stata inventata una miriade di dispositivi per il cronometraggio, ma ciò che tutti hanno in comune è che dipendono da fenomeni naturali con periodi regolari di oscillazione. Cronometraggio è semplicemente una questione di contare queste oscillazioni per segnare il passare del tempo.
Per gran parte della storia, il fenomeno periodico scelto fu il moto apparente del Sole e delle stelle attraverso il cielo, causato dalla rotazione della Terra attorno al proprio asse., Uno dei primi metodi di cronometraggio noti – incontri migliaia di anni – coinvolti mettendo un bastone in posizione verticale nel terreno e tenere traccia della sua ombra in movimento come il giorno progredito. Questo metodo si è evoluto nella meridiana, o orologio ombra, con marcatori lungo il percorso dell’ombra che divide il giorno in segmenti.
Tuttavia, meridiane sono inutili a meno che il sole splende. Ecco perché sono stati sviluppati dispositivi meccanici, come orologi ad acqua, orologi a candela e clessidre., Poi, nel 17 ° secolo, sono stati sviluppati orologi a pendolo, che erano molto più precisi di qualsiasi dispositivo di cronometraggio precedente. Il loro periodo di oscillazione (nell’approssimazione dell’ordine più basso) era determinato dall’accelerazione dovuta alla gravità e dalla lunghezza del pendolo. Poiché questo periodo è molto più breve della rotazione giornaliera della Terra, il tempo potrebbe essere suddiviso in intervalli molto più piccoli, rendendo possibile misurare secondi, o anche frazioni di secondo.,
Tuttavia, la rotazione terrestre era ancora il “master clock” rispetto al quale altri orologi venivano calibrati e regolati regolarmente.
Dal cristallo all’atomico
Man mano che la tecnologia progrediva, aumentava la necessità di tempi di risoluzione più elevati. Gli orologi a pendolo furono gradualmente superati dagli orologi al quarzo, il primo dei quali fu costruito nel 1927 da Warren Marrison e Joseph Horton presso l’allora Bell Telephone Laboratories negli Stati Uniti. In questi dispositivi, una corrente elettrica fa risuonare un cristallo di quarzo a una frequenza specifica che è molto più alta delle oscillazioni di un pendolo.,
La frequenza di tali orologi è meno sensibile alle perturbazioni ambientali rispetto ai vecchi dispositivi di cronometraggio, rendendoli più accurati. Anche così, gli orologi al quarzo si basano su una vibrazione meccanica la cui frequenza dipende dalle dimensioni, dalla forma e dalla temperatura del cristallo. Non ci sono due cristalli esattamente uguali, quindi devono essere calibrati contro un altro riferimento-questo era il periodo di rotazione della Terra,con il secondo definito come un 1/86, 400 ° del giorno solare medio (vedi riquadro, sotto).
Tempo di standardizzazione
L’ora solare non è la stessa ovunque., Nel Regno Unito, ad esempio, Birmingham è otto minuti dietro Londra, e Liverpool è 12 minuti dietro. Mentre i tempi di comunicazione e di viaggio tra i principali centri della popolazione erano lenti, questo contava poco. Ma la situazione è cambiata radicalmente con la costruzione di ferrovie nel 19 ° secolo. Avere diversi orari locali in ogni stazione ha causato confusione e sempre più, come la rete ampliata, incidenti e quasi incidenti. Era necessario un singolo tempo standardizzato.,
La Great Western Railway aprì la strada nel 1840 e il “railway time” fu gradualmente ripreso da altre compagnie ferroviarie negli anni successivi. Gli orari furono standardizzati a Greenwich Mean Time (GMT), e nel 1855 i segnali temporali venivano trasmessi telegraficamente da Greenwich attraverso la rete ferroviaria britannica. Tuttavia, non è stato fino al 1880 che il ruolo del GMT come un tempo standard unificato per l’intero paese è stato stabilito nella legislazione., Quattro anni dopo, alla Conferenza internazionale Meridian tenutasi a Washington DC negli Stati Uniti,GMT è stato adottato come standard di riferimento per i fusi orari in tutto il mondo e il secondo è stato formalmente definito come una frazione (1/86, 400) del giorno solare medio.
Ci sono problemi con questa definizione del secondo, tuttavia. Man mano che la nostra capacità di misurare questa unità di tempo migliorava, divenne chiaro che il periodo di rotazione della Terra non era costante., Il periodo non solo rallenta gradualmente a causa dell’attrito delle maree, ma varia anche con la stagione e, peggio ancora, fluttua in modi imprevedibili.
Nel 1955 la NPL mise in moto una rivoluzione nel cronometraggio quando Louis Essen e Jack Parry produssero il primo pratico standard di frequenza atomica al cesio (vedi riquadro sotto). Il loro dispositivo non era veramente un orologio in quanto non funzionava continuamente, ed era semplicemente usato per calibrare la frequenza di un orologio al quarzo esterno a intervalli di pochi giorni., Tuttavia, studiando come la frequenza di risonanza dipendesse dalle condizioni ambientali, Essen e Parry avevano dimostrato in modo convincente che le transizioni tra livelli di energia discreti in atomi di cesio ben isolati potevano fornire un riferimento di intervallo di tempo molto più stabile di qualsiasi standard basato sul movimento dei corpi astronomici. Come scrisse in seguito Essen: “Abbiamo invitato il regista a venire ad assistere alla morte del secondo astronomico e alla nascita del tempo atomico.,”
Come funziona un orologio atomico
In un orologio atomico al cesio, la frequenza di una sorgente a microonde viene accuratamente regolata fino a raggiungere la frequenza di risonanza corrispondente alla differenza di energia tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale degli atomi di cesio: 9.192.631.770 Hz. Gli atomi assorbono la radiazione a microonde e un segnale di feedback generato dal segnale di assorbimento viene utilizzato per mantenere la sorgente a microonde sintonizzata su questa frequenza altamente specifica., La visualizzazione dell’ora viene generata contando elettronicamente le oscillazioni della sorgente a microonde.
L’orologio originale di Louis Essen presso il National Physical Laboratory del Regno Unito utilizzava un fascio termico di atomi di cesio ed era accurato per circa una parte nel 1010. Al giorno d’oggi, gli standard primari di cesio utilizzano una disposizione nota come “fontana atomica”, in cui gli atomi raffreddati a laser vengono lanciati verso l’alto attraverso una cavità a microonde prima di ricadere sotto gravità. Utilizzando atomi freddi significa che il tempo di interazione può essere molto più lungo rispetto a un orologio a fascio termico, dando una risoluzione spettrale molto più elevata., Con un’attenta valutazione degli spostamenti sistematici di frequenza derivanti dalle perturbazioni ambientali, le migliori fontane di cesio di oggi hanno raggiunto una precisione di una parte nel 1016, anche se le misurazioni devono essere calcolate in media su diversi giorni per raggiungere questo livello. Contribuiscono come standard primari al Tempo atomico internazionale (TAI).
Ma mostrare che il nuovo standard era stabile era insufficiente per ridefinire il secondo. Una nuova definizione doveva essere coerente con quella vecchia entro il limite tecnico dell’incertezza di misura., Essen e Parry hanno quindi proceduto a misurare la frequenza del loro standard di cesio rispetto alla scala temporale astronomica diffusa dal Royal Greenwich Observatory.
Nel frattempo, gli astronomi erano passati a usare il tempo delle effemeridi, basato sul periodo orbitale della Terra attorno al Sole. La loro logica era che è più stabile della rotazione terrestre, ma sfortunatamente per la maggior parte degli scopi pratici di misurazione è poco pratico., Tuttavia, il Comitato internazionale per i pesi e le misure ha seguito il loro esempio, e nel 1956 ha selezionato le effemeridi secondo ad essere l’unità di base di tempo nel Sistema internazionale di unità. Come ha detto Essen: “Anche gli organismi scientifici possono prendere decisioni ridicole.”
Ma ridicolo o no, aveva bisogno di mettere in relazione la frequenza del cesio con le effemeridi seconde, un compito che ha compiuto in collaborazione con William Markowitz dello United States Naval Observatory., Infine, nel 1967 la Conferenza Generale sui pesi e le Misure decise che era giunto il momento di ridefinire il secondo come “la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133”.
Sono state sviluppate anche versioni di orologi atomici al cesio di nuova generazione
Più compatte e meno costose, anche se meno accurate, e le applicazioni sono fiorite. Potremmo non sempre rendercene conto, ma i tempi di precisione sono alla base di molte caratteristiche della nostra vita quotidiana. Telefoni cellulari, transazioni finanziarie, Internet, energia elettrica e sistemi globali di navigazione satellitare si basano tutti su standard di tempo e frequenza.,
Ma sebbene la transizione al cesio si sia dimostrata una base duratura per la definizione del secondo, gli orologi atomici al cesio potrebbero ora raggiungere il limite della loro accuratezza e i miglioramenti potrebbero aprire nuove applicazioni. In risposta, sta emergendo una nuova generazione di orologi atomici basati su transizioni ottiche, piuttosto che a microonde. Questi nuovi orologi ottengono la loro precisione migliorata dalle loro frequenze operative molto più elevate., A parità di altre condizioni, la stabilità di un orologio atomico è proporzionale alla sua frequenza operativa e inversamente proporzionale alla larghezza della transizione elettronica. In pratica, però, la stabilità dipende anche dal rapporto segnale-rumore della caratteristica di assorbimento atomico.
In un orologio atomico ottico, un laser ultra-stabile è bloccato su una transizione elettronica spettralmente stretta nella regione ottica dello spettro – la cosiddetta “transizione dell’orologio”., Gli orologi ottici studiati oggi rientrano in due categorie: alcuni si basano su singoli ioni intrappolati raffreddati a laser e altri si basano su insiemi di atomi raffreddati a laser intrappolati in un reticolo ottico.
Il primo, un singolo ion raffreddato a laser in una trappola elettromagnetica a radiofrequenza, si avvicina all’ideale spettroscopico di una particella assorbente a riposo in un ambiente privo di perturbazioni. Quando raffreddato, può essere confinato in una regione di spazio con dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda della luce laser dell’orologio, il che significa che l’ampliamento Doppler della funzione di assorbimento viene eliminato.,
Controllando il suo movimento residuo per assicurarsi che sia strettamente confinato al centro della trappola, altri spostamenti sistematici di frequenza possono anche essere notevolmente soppressi. Questo tipo di orologio ha quindi il potenziale per una precisione molto elevata. Lo svantaggio è che un singolo ion fornisce un segnale di assorbimento con un basso rapporto segnale-rumore, che limita la stabilità dell’orologio che può essere raggiunta.
Gli atomi neutri, d’altra parte, possono essere intrappolati e raffreddati in gran numero, risultando in un segnale con un rapporto segnale-rumore molto migliore., La stabilità, ad esempio, migliora con la radice quadrata del numero di atomi, tutto il resto è uguale. I ricercatori possono ora confinare migliaia di atomi raffreddati a laser in una trappola a reticolo ottico – più comunemente una matrice 1D di potenziali pozzi formati da raggi laser intersecanti.
Ci si potrebbe aspettare che i fasci di luce usati per intrappolare gli atomi alterino la frequenza della transizione di clock., Tuttavia, questo può essere evitato sintonizzando il laser utilizzato per creare il reticolo su una lunghezza d’onda “magica” alla quale i livelli superiore e inferiore della transizione dell’orologio si spostano esattamente della stessa quantità – una soluzione proposta per la prima volta nel 2001 da Hidetoshi Katori, dell’Università di Tokyo in Giappone.
L’attuale record per la stabilità dell’orologio ottico è detenuto dal gruppo di Andrew Ludlow del National Institute for Standards and Technology degli Stati Uniti a Boulder, in Colorado. Il loro orologio ottico a reticolo itterbio ha recentemente dimostrato una stabilità di una parte in 1018 per tempi medi di poche migliaia di secondi., Tuttavia, gli orologi ottici a ioni intrappolati hanno anche dimostrato stabilità ben al di sotto di quelle degli orologi atomici al cesio, ed entrambi i tipi hanno ora raggiunto incertezze sistematiche stimate alle parti basse nel livello 1018. Questo supera di gran lunga l’accuratezza degli standard primari di cesio e solleva una domanda ovvia: è tempo di ridefinire ancora una volta il secondo?
Il futuro del tempo
La frequenza dello standard ottico selezionato dovrebbe, ovviamente, essere determinata con precisione in termini di frequenza del cesio, per evitare qualsiasi discontinuità nella definizione. Ma questo può essere facilmente realizzato utilizzando un pettine a frequenza ottica a femtosecondi – una sorgente laser il cui spettro è un pettine regolarmente distanziato di frequenze-per colmare il divario tra le frequenze ottiche e le microonde. Un ostacolo a una ridefinizione è che non è chiaro quale orologio ottico sarà alla fine il migliore., Ogni sistema studiato presenta vantaggi e svantaggi: alcuni offrono una maggiore stabilità realizzabile, mentre altri sono altamente immuni alle perturbazioni ambientali.
Un’altra sfida consiste nel verificare sperimentalmente le loro incertezze sistematiche stimate attraverso confronti diretti tra orologi ottici sviluppati indipendentemente in diversi laboratori. Qui i ricercatori in Europa hanno un vantaggio in quanto è già possibile confrontare gli orologi ottici nel Regno Unito, in Francia e in Germania con il livello di precisione necessario utilizzando collegamenti a fibre ottiche., Sfortunatamente, queste tecniche non possono attualmente essere utilizzate su scale intercontinentali e devono essere trovati modi alternativi per collegarsi agli orologi ottici negli Stati Uniti e in Giappone.
Gli esperimenti di comparazione remota dell’orologio devono anche tenere conto del redshift gravitazionale delle frequenze di clock. Per gli orologi ottici con incertezze di una parte in 1018, ciò significa che il potenziale di gravità nei siti dell’orologio deve essere noto con una precisione corrispondente a circa 1 cm di altezza, un miglioramento significativo sullo stato attuale dell’arte. Devono essere considerate anche le variazioni di marea del potenziale di gravità.,
Sebbene tutte queste sfide possano essere superate con il tempo, una ridefinizione della seconda richiederà il consenso internazionale ed è ancora lontana. Fino ad allora, la comunità globale di metrologia del tempo e della frequenza ha convenuto che gli orologi atomici ottici possono in linea di principio contribuire alle scale temporali internazionali come rappresentazioni secondarie del secondo.
In effetti, la precisione senza precedenti degli orologi atomici ottici sta già beneficiando della fisica fondamentale., Ad esempio, sono stati fissati limiti migliorati sulla variazione dell’ora del giorno corrente della costante di struttura fine (α ≈ 1/137) e del rapporto di massa protone-elettrone confrontando le frequenze di diversi orologi per un periodo di diversi anni.
Gli orologi ottici potrebbero anche aprire applicazioni completamente nuove. Confrontando la frequenza di un orologio ottico trasportabile con un orologio di riferimento fisso, saremo in grado di misurare le differenze di potenziale di gravità tra posizioni ben separate con elevata sensibilità, nonché un’elevata risoluzione temporale e spaziale., Tali misurazioni porteranno a definizioni più coerenti di altezze sul livello del mare – attualmente diversi paesi misurano in relazione a diversi indicatori di marea, e il livello del mare non è lo stesso ovunque sulla Terra. Potrebbero anche permetterci di monitorare i cambiamenti del livello del mare in tempo reale, monitorando le tendenze stagionali e a lungo termine delle masse di ghiaccio e dei cambiamenti complessivi della massa oceanica, dati che forniscono input critici nei modelli utilizzati per studiare e prevedere gli effetti dei cambiamenti climatici., È ironico forse che saremo in grado di studiare la Terra – la cui rotazione originariamente definiva la seconda – in modo più dettagliato con l’aiuto del suo ultimo usurpatore: l’orologio ottico.
