Con l’errore di un solo secondo ogni 100 milione di anni, gli orologi atomici sono strumenti altamente precisi utilizzati per misurare il tempo. A differenza degli orologi meccanici o al quarzo che si basano su parti mobili o oscillazioni elettriche, gli orologi atomici utilizzano la natura stessa delle particelle atomiche per mantenere un tempo preciso e costante. In questo articolo esploreremo in dettaglio il funzionamento degli orologi atomici e come essi siano stati in grado di migliorare la nostra capacità di misurare il tempo.⌚
In copertina, orologio ottico allo stronzio del National Physical Laboratory UK.
Foto CC by 4.0 ad opera di Andrew Brooks
Il tempo scandito prima degli orologi atomici
Fin dai suoi albori, la possibilità di poter misurare il tempo e standardizzare le giornate, ha modificato in modo ineluttabile la società.
Le prime forme di orologi erano solstizi, equinozi e osservazioni delle posizioni del Sole, della Luna e delle stelle. 4000 anni prima di Cristo, i Sumeri della Mesopotamia, che utilizzavano un calendario lunisolare, avevano introdotto il sistema sessagesimale. Questi consisteva in un sistema di numerazione a base 60 che, a causa della sua facile frazionabilità permetteva la suddivisione della durata delle giornate in parti più piccole e gestibili.
Poco più tardi, i babilonesi si resero conto che la durata delle ore di sole e di buio agli equinozi era la stessa e stabilirono conveniente suddividere gli intervalli temporali delle giornate riutilizzando il sistema sessagesimale. Il giorno si sarebbe diviso in sessanta primi e sessanta secondi. L’insieme dei sessanta primi avrebbe formato le nostre 24 ore.
Infine, gli egizi, a seguito delle osservazioni sulla periodicità delle piene del Nilo, e della ripetitività in cielo delle medesime costellazioni riorganizzarono il sistema sumero-babilonese per lo scandire del tempo. Il tempo si sarebbe diviso così in 365 giorni organizzati in dodici mesi.
La nascita dei primi orologi
Fu solo dopo l’invenzione dei primi orologi meccanici che si iniziò ad avere una suddivisione coerente e ben fissata del calendario terrestre.
I primi orologi vennero costruiti durante il rinascimento, attorno al 1300, nelle zone a cavallo fra l’Italia e la Germania. Si trattava di orologi meccanici da torre. Ad oggi, l’originale più antico è costudito al museo degli orologi da torre di San Marco dei Cavoti, in provincia di Benevento.
La sorgente responsabile di far funzionare i primi prototipi di orologio, è data da due grandi pesi. Ognuno di essi è allacciato ad una fune avvolta su di un cilindro orizzontale. I pesi, alternandosi nella salita e nella discesa, sono in grado di trasferire l’energia gravitazionale accumulata ad un regolatore. Il meccanismo che sta alla base dell’orologio medioevale è lo scappamento verga-foliot. Vista la genialità di questo efficace meccanismo, ne parleremo approfonditamente in un altro articolo.
L’orologio da torre fu sostituito qualche secolo più tardi dall’orologio a pendolo brevettato dall’olandese Christian Huygens nel 1656; 15 anni dopo che Galileo Galilei formulò la sua legge sull’isocronismo del moto del pendolo. Lo stesso Huygens, in seguito, ideò il bilanciere con molla a spirale: che usiamo ancora oggi negli orologi da polso, da tasca e nelle sveglie. In questo modo l’ora era davvero alla portata di tutti.
La vecchia definizione di secondo
La definizione di secondo è cambiata molte volte nel corso della storia, a mano a mano che la tecnologia e la scienza hanno fornito nuovi metodi per misurare il tempo con maggiore precisione. Inizialmente il secondo è stato definito come la durata di un ciclo di oscillazione di un pendolo ideale a una lunghezza specifica.
Nel 1879, il secondo è stato definito in funzione della rotazione terrestre, come 1/86 400 di un giorno solare medio.
Consideriamo, infatti, che il calendario attualmente in vigore utilizza il sistema di misura sessagesimale dei Babilonesi. Nell’arco di 24 ore, si contano esattamente 86400 secondi. Questa definizione, tuttavia, era influenzata dalle variazioni della durata del giorno solare a causa dell’effetto delle maree e di altri fattori.
Nel 1956 il Comitato internazionale dei pesi e delle misure decise di ridefinire il secondo come una frazione del periodo di rivoluzione della Terra attorno al Sole in un particolare giorno.
Il secondo diviene $\frac{1}{31.556.925,9747}$ dell’anno solare del primo gennaio 1900.
Con l’avvento di una scienza sempre più di precisione, questo livello di accuratezza si è rivelato essere non più accettabile. Una stima più accurata del tempo che scorre è arrivata con la scoperta di nuovi princìpi fisici.
“Se si vogliono ottenere campioni di lunghezza, tempo e massa, che siano assolutamente permanenti, essi devono essere cercati non nelle dimensioni o nel movimento o nella massa del nostro pianeta, ma nella lunghezza d’onda, nella frequenza e nella massa assoluta degli atomi. Essi infatti sono eterni, inalterabili e tutti perfettamente uguali” James Clerk Maxwell
Dagli orologi meccanici agli orologi al quarzo
A fine 1800 i fratelli Paul-Jacques e Pierre Curie rilevano l’effetto piezoelettrico nel quarzo.
Quando il cristallo di quarzo viene sollecitato da corrente elettrica inizia a vibrare; se la corrente elettrica viene tenuta fissa, il cristallo vibra mantenendo costante la frequenza. Questa proprietà è perfetta per costruire strumenti di misura del tempo sempre più precisi; infatti, nel giro di neanche mezzo secolo, i primi orologi al quarzo presero vita.
La precisione di qualsiasi orologio dipende dalla propria frequenza di oscillazione.
Solitamente, nei comuni orologi da polso, la frequenza di oscillazione è di 32768 Hertz. Significa che il cristallo vibra 32768 volte al secondo. L’alta frequenza delle vibrazioni sta ad indicare che un un orologio di questo tipo è molto più preciso di uno meccanico, con uno scarto di circa un minuto in un anno.
L’avvento degli orologi atomici
Gli orologi atomici sono stati sviluppati attorno gli anni ’50 del XX secolo ed hanno permesso di creare un nuovo sistema di misura del tempo, noto come tempo atomico internazionale. Questo sistema è molto preciso e stabile, e viene utilizzato in molte attività umane, tra cui la navigazione, la comunicazione e la scienza.
Nel corso della loro evoluzione hanno migliorato la propria accuratezza ad un passo impressionante, arrivando ad uno scarto di solo 1 secondo per ogni 100 milioni di anni.
Forse l’orologio atomico più conosciuto, nonché il più diffuso, è quello al cesio-133, l’unico isotopo stabile dell’atomo numero 55 della tavola periodica. Tuttavia, il primo ad essere stato costruito non era al cesio, bensì all’ammoniaca.
Nel 1949 il team guidato dal fisico Harold Lyons, presso i laboratori statunitensi NBS oggi NIST, realizza il primo orologio atomico della storia, che utilizzava la vibrazione regolare di un atomo di ammoniaca per mantenere il tempo. A tre anni di distanza, lo stesso gruppo costruirà anche un orologio al cesio che però non funziona e il cui progetto abbandonerà per qualche anno, per mancanza di fondi.
Nel frattempo, a Londra, presso il National Physical Laboratory (NPL lab) due fisici inglesi, Louis Essen e John Parry riuscirono a costruire un orologio atomico al cesio che funzionava. Il cesio 133 era stato identificato come uno degli isotopi più stabili e precisi per la misurazione del tempo.
L’ottimizzazione di questo nuovo strumento di misura venne portato avanti in contemporanea fra i due laboratori, migliorandone il grado di precisione.
Per la prima volta si utilizza l’azione di un laser che opera negli infrarossi per stimolare la transizione elettronica: il maser – microwave amplification by stimulated emission of radiation. Questi altri non è che un dispositivo elettronico che genera radiazioni elettromagnetiche coerenti in una singola direzione, capace di stimolare la transizione iperfine negli atomi di cesio.
Come funziona un orologio atomico
Oggi, l’orologio atomico (o nucleare) più comune fa uso delle transizioni elettroniche che avvengono all’interno degli atomi di Cesio-133. Questi è l’unico isotopo stabile del cesio, che è un metallo alcalino con un solo elettrone di valenza. E’ anche è il primo isotopo la cui transizione iperfine è stata misurata accuratamente.
La transizione iperfine nel cesio-133 è una particolare transizione quantistica che si verifica nei livelli di energia quantizzati dell’atomo, cioè quando l’elettrone passa da un livello energetico a un altro, emettendo una radiazione di frequenza ben definita.
La transizione iperfine nel cesio è estremamente precisa e stabile, il che la rende adatta per l’uso come riferimento di frequenza nei sistemi di sincronizzazione del tempo.
La frequenza della delle transizioni iperfini nel Cs-133 è stata ripetutamente misurata e confermata. Rientra nel range delle microonde – che vanno dai 300 GHz ad 1 GHz. Nel 1967, è stata accettata come unità di misura del tempo.
Ad oggi, il secondo corrisponde alla durata di 9.192.631.770 di oscillazioni della radiazione emessa dall’atomo di cesio 133 nel suo stato fondamentale $^2S_{\frac{1}{2}}$ nella transizione dal livello iperfine (F=4, M=0) al livello iperfine (F=3, M=0).
Dagli orologi atomici a microonde agli orologi ottici
Uno degli orologi ottici più famosi è quello che fa uso dello stronzio-87. Si tratta di un orologio atomico le cui oscillazioni caratteristiche rientrano nel range del visibile e per questo viene identificato come ottico.
Più nel particolare, l’orologio nucleare allo stronzio-87 oscilla a 429.228.004.229.873 Hz ( 430 THz), che corrisponde ad una lunghezza d’onda di circa 700 nanometri.
La differenza rispetto all’orologio al cesio sta tutta nel fatto che, oscillando a frequenze più elevate – siamo nella parte rossa dello spettro visibile – il numero di oscillazioni per unità di tempo è maggiore, e ciò permette una più accurata misura del secondo.
Di contro, però, presenta alcune sfide e limitazioni che ne impediscono un uso più diffuso. Sono molto complessi da costruire e molto dispendiosi a causa delle risorse che occorrono per produrli. Diversamente da quelli al cesio, sono molto sensibili ai disturbi ambientali e questo fa si che siano spesso fuori uso.