Orologi atomici e precisione del tempo

Qualche giorno fa, le pagine scientifiche di molti giornali hanno ospitato una notizia che e’ passata un po’ in sordina ma che, a mio avviso, merita di essere commentata se non altro per le interessanti discussioni a corollario. La notizia in questione, che molto sicuramente avrete letto, parlava di una nuova serie di orologi atomici costruiti dai ricercatori del NIST, National Institute of Standards and Technology, e che sono in grado di mantenere la precisione per un tempo paragonabile all’eta’ dell’universo.

Leggendo questa notizia, credo che le domande classiche che possono venire in mente siano: come funziona un orologio atomico? Come si definisce il secondo? Ma soprattutto, a cosa serve avere un orologio tanto preciso?

In realta’, rispondere a queste domande, non e’ cosa facile ma cercheremo di farlo sempre in modo divulgativo spiegando passo passo tutti i concetti richiamati.

Prima di tutto, cos’e’ il tempo? Come potete immaginare, in questo caso la risposta non e’ semplice, ma richiama tantissime discipline, non solo scientifiche, che da secoli si sono interrogate sulla migliore definizione di tempo. Tutti noi sappiamo che il tempo passa. Come ce ne accorgiamo? Proprio osservando il trascorrere del tempo, cioe’ degli avvenimenti che osserviamo intorno a noi. In tal senso, scientificamente, possiamo definire il tempo come quella dimensione nella quale si misura il trascorrere degli eventi. Questa definizione ci permette dunque di parlare di passato, presente e futuro, dividendo gli eventi in senso temporale. Ovviamente, non e’ l’unica definizione che potete dare di tempo e forse neanche la piu’ affascinante ma, sicuramente, e’ la piu’ pratica per l’utilizzo che se ne vuole fare nelle scienze.

Detto questo, se parliamo di tempo come una dimensione, dobbiamo saper quantificare in qualche modo il suo scorrere. Detto in altri termini, abbiamo bisogno di un’unita’ di misura. Nel “Sistema Internazionale di unita’ di misura”, che e’ quello accettato in molti paesi e considerato la standard a cui riferirsi, l’unita’ di misura del tempo e’ il secondo.

Come viene definito un secondo?

Storicamente, la definizione di secondo e’ cambiata molte volte. Nella prima versione, il secondo era definito come 1/86400 del giorno solare medio. Questa definizione non e’ pero’ corretta a causa del lento e continuo, per noi impercettibile, allungamento delle giornate dovuto all’attrazione Terra-Luna e alle forze mareali, di cui abbiamo parlato in questo post:

–Le forze di marea

Utilizzando pero’ questa definizione, non avremmo avuto a disposizione qualcosa di immutabile nel tempo. Per ovviare a questo problema, si decise dunque di riferire il secondo non piu’ in base alla rotazione della terra su se stessa, ma a quella intorno al Sole. Anche questo movimento pero’ e’ non uniforme, per cui fu necessario riferire il tutto ad un preciso anno. Per questo motivo, il secondo venne definito nel 1954 come: la frazione di 1/31 556 925,9747 dell’anno tropico per lo 0 gennaio 1900 alle ore 12 tempo effemeride. La durata della rotazione intorno al Sole era conosciuta da osservazioni molto precise. Qualche anno dopo, precisamente nel 1960, ci si rese conto che questa definizione presentava dei problemi. Se pensiamo il secondo come una frazione del giorno solare medio, chi ci assicura che il 1900 possa essere l’anno in cui il giorno aveva la durata media? Detto in altri termini, le definizioni date nei due casi possono differire tra loro di una quantita’ non facilmente quantificabile. Dovendo definire uno standard per la misura del tempo, conosciuto e replicabile da chiunque, abbiamo bisogno di un qualcosa che sia immutabile nel tempo e conosciuto con grande precisione.

Proprio queste considerazioni, portarono poi a prendere in esame le prorieta’ degli atomi. In particolare,  si penso’ di definire il secondo partendo dai tempi necessari alle transizioni atomiche che ovviamente, a parita’ di evento, sono sempre identiche tra loro. Proprio per questo motivo, il secondo venne definito come: la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133. In questo modo si e’ ottenuta una definizione con tutte le proprieta’ che abbiamo visto.

A questo punto, la domanda e’: come misurare il tempo? Ovviamente, di sistemi di misurazione del tempo ne conosciamo moltissimi, sviluppati e modificati nel corso dei secoli e ognuno caratterizzato da una precisione piu’ o meno elevata. Cosa significa? Affinche’ un orologio sia preciso, e’ necessario che “non perda un colpo”, cioe’ che la durata del secondo misurata sia quanto piu’ vicina, al limite identica, a quella della definizione data. In caso contrario, ci ritroveremo un orologio che dopo un certo intervallo, giorni, mesi, anni, migliaia di anni, si trova avanti o indietro di un secondo rispetto allo standard. Ovviamente, piu’ e’ lungo il periodo in cui questo avviene, maggiore e’ la precisione dell’orologio.

Come tutti sanno, gli orologi piu’ precisi sono quelli atomici. Cosi’ come nella definizione di secondo, per la misura del tempo si utilizzano fenomeni microscopici ottenuti mediante “fontane di atomi”, eccitazioni laser, o semplici transizione tra livelli energetici. Al contrario, negli orologi al quarzo si utilizza la vibrazione, indotta elettricamente, degli atomi di quarzo per misurare il tempo. La bibliografia su questo argomento e’ molto vasta. Potete trovare orologi atomici costruiti nel corso degli anni sfruttando proprieta’ diverse e con precisioni sempre piu’ spinte. Negli ultimi anni. si e’ passati alla realizzazione di orologi atomici integrando anche fasci laser e raffreddando gli atomi a temperature sempre piu’ vicine allo zero assoluto.

Nel caso della notizia da cui siamo partiti, l’orologio atomico costruito sfrutta la transizione di atomi di itterbio raffreddati fino a 10 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto indotta mediante fasci laser ad altissima concentrazione. Questo ha permesso di migliorare di ben 10 volte la precisione dell’orologio rispetto a quelli precedentemente costruiti.

A questo punto, non resta che rispondere all’ultima domanda che ci eravamo posti all’inizio: a cosa serve avere orologi cosi’ precisi? Molto spesso, leggndo in rete, sembrerebbe quasi che la costruzione dell’orologio piu’ preciso sia una sorta di gara tra laboratori di ricerca che si contendono, a suon di apparecchi che costano milioni, la palma della miglior precisione. In realta’ questo non e’ vero. Avere una misura sempre piu’ precisa di tempo, consente di ottenere risultati sempre piu’ affidabili in ambito diverso.

Per prima cosa, una misura precisa di tempo consente di poter sperimentare importanti caratteristiche della relativita’. Pensate, ad esempio, alla misura della distanza tra Terra e Luna. In questo caso, come visto in questo articolo:

– Ecco perche’ Curiosity non trova gli alieni!

si spara un laser da Terra e si misura il tempo che questo impiega a tornare indietro. Maggiore e’ la precisione sulla misura del tempo impiegato, piu’ accurata sara’ la nostra distanza ottenuta. Molto spesso infatti, si suole misurare le distanze utilizzando tempi. Pensiamo, ad esempio, all’anno luce. Come viene definito? Come la distanza percorsa dalla luce in un anno. Tempi e distanze sono sempre correlati tra loro, condizione per cui una piu’ accurata misura di tempi  consente di ridurre l’incertezza in misure di distanza.

Anche quando abbiamo parlato del sistema GPS:

– Il sistema di posizionamento Galileo

Abbiamo visto come il posizionamento viene fatto misurando le differenze temporali tra i satelliti della galassia GPS. Anche in questo caso, la sincronizzazione e’ fondamentale per avere precisioni maggiori nel posizionamento. Non pensate solo al navigatore che ormai quasi tutti abbiamo in macchina. Questi sistemi hanno notevole importanza in ambito civile, marittimo, militare. Tutti settori di fondamentale importanza per la nostra societa’.

Concludendo, abbiamo visto come viene definito oggi il secondo e quante modifiche sono state fatte nel corso degli anni cercando di avere una definizione che fosse immutabile nel tempo e riproducibile per tutti. Oggi, abbiamo a disposizione molti sistemi per la misura del tempo ma i piu’ precisi sono senza dubbio gli orologi atomici. Come visto, ottenere precisioni sempre piu’ spinte nella misura del tempo e’ di fondamentale importanza per tantissimi settori, molti dei quali anche strategici nella nostra soscieta’. Ad oggi, il miglior orologio atomico realizzato permette di mantenere la precisione per un tempo paragonabile all’eta’ dell’universo, cioe’ circa 14 miliardi di anni.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Ecco perche’ Curiosity non trova gli alieni!

Di Curiosity e della missione su Marte abbiamo parlato in diversi post:

– Curiosity: scoperta sensazionale?

– Curiosity e gli UFO

– Curiosity e gli UFO: dopo le foto, il video. 

Tutte le volte si cercavano evidenze di forme di vita extraterrestri su Marte e tutte le volte ci si accorgeva che in realta’ le prove potevano essere sbugiardate facilmente.

Ora, finalmente su web si sta diffondendo il perche’ di questo. La rete, attraverso i tantissimi siti catastrofisti e complottisti, ha finalmente trovato la risposta a questa domanda. Non c’e’ nessuna verita’ tenuta nascosta dalla NASA, dalla chiesa, dalla CIA o da misteriosi governanti che operano nell’ombra.

Curiosity non trova i marziani semplicemente perche’ …. non e’ mai andata su Marte!

Ebbene si, non poteva certo mancare questa ipotesi. In questi ultimi giorni, si sta diffondendo la notizia che in realta’ la NASA non ha mai raggiunto il pianeta rosso. Tutte le immagini che ci stanno mostrando sono false e sono scattate sulla Terra.

Ovviamente, una notizia di questo tipo e’ supportata da prove fotografiche “inconfutabili”.

Secondo alcuni il Rover non e’ su Marte, bensi’ in Irlanda:

Curiosity in Irlanda

Secondo altri, Curiosity sta inviando foto dalla Francia:

Curiosity in Francia

Ma quindi Curiosity e’ in Francia o in Irlanda?

Ovviamente in nessuno dei due paesi. Le due foto mostrate sono state pubblicate da semplici utenti su facebook i quali poi prontamente hanno dichiarato di averle create con photoshop elaborando immagini scaricate dalle pagine della NASA. Come potete facilmente immaginare, questo non ha impedito alle foto di fare il giro del mondo.

Pensate di aver finito qui? Assolutamente no.

Esiste un’altra prova inconfutabile, citata da molte fonti, e che non lascia spazio ad interpretazioni. Ecco la foto:

Curiosity in California

Questo e’ il set cinematografico creato appositamente per Curiosity in una zona desertica della California.

Dunque? Ora come la mettiamo?

Aggiungo anche che la foto e’ vera ed e’ veramente stata scattata in California. C’e’ solo un piccolo particolare che la rete omette di citare. La foto risale a circa un anno fa, quando la NASA stava facendo i test di prototipi su diversi terreni e a diverse temperature per verificare la manovrabilita’ e la resistenza dei circuiti elettronici. Come potete facilmente capire, la NASA non ha finito di costruire il rover e poi lo ha spedito senza fare test da qualche parte. A riprova di questo, vi segnalo anche una pagina del JPL con i test:

– NASA JPL Curiosity test

Come vedete, anche in questo caso siamo di fronte a prove create appositamente per diffondere notizie false.

Questa storia e’ del tutto simile alla teoria complottista sullo sbarco lunare nel 1969. Quante volte avete sentito dire che l’uomo non e’ mai arrivato sulla Luna? Se circola la notizia che non siamo stati in grado di arrivare sulla Luna, tantomeno possiamo essere arrivati su Marte.

Gia’ che ci siamo, apriamo una piccola parentesi proprio sulla Luna. Cosa c’e’ di vero nelle teorie complottiste che vedrebbero le immagini dello sbarco solo una montatura mediatica?

Ovviamente nulla. Cerchiamo di capire il perche’.

Prima di tutto, vi invito ad una riflessione storica. Sappiamo bene che lo sbarco dell’apollo 11 sulla Luna e’ avvenuto in un periodo molto particolare dal punto di vista politico e sociale. La corsa allo spazio avveniva tra i due grandi blocchi del tempo: gli Stati Uniti e la Russia. L’arrivo sulla Luna rappresentava, nell’immaginario collettivo, il trionfo tecnologico di una cultura sull’altra.

Secondo voi, se ci fossero state prove reali che avessero messo in discussione lo sbarco del ’69, la Russia avrebbe lasciato correre?

Ovviamente la risposta e’ no.

Fatta questa premessa storica, voglio ora discutere un’evidenza scientifica dell’avvenuto sbarco.

Dal punto di vista fisico, la misura dei parametri della Luna, in primis la sua distanza dalla Terra, e’ molto utile per verificare teorie molto importanti tra cui la precessione geodetica, l’effetto Lense-Thirring e per misurare parametri della relativita’ generale.

Un metodo molto utilizzato e preciso per misurare continuamente la distanza Terra-Luna e’ quello del “Lunar Laser Ranging”, cioe’ la misura della distanza mediante fasci laser sparati da Terra.

Come funziona questo metodo?

Per avere una riflessione a Terra, e’ necessario posizionare degli speciali specchi sulla Luna che servono proprio per far riflettere verso di noi il laser. Conoscendo la velocita’ della luce, basta misurare il tempo che il laser impiega per tornare a Terra per avere una misura molto precisa del percorso fatto, cioe’ della distanza tra noi e il nostro satellite. Il principio e’ esattamente lo stesso sfruttato dal sonar, solo che al posto delle onde sonore si utilizzano fasci di luce.

Questi speciali specchi sono chiamati “Corner Cube Retroreflectors”, cioe’ retroriflettori a spigolo di cubo. Questi sistemi hanno una serie di specchi disposti secondo gli spigoli di un cubo ed in cui la luce viene riflessa totalmente. La speciale disposizione degli specchi fa si che la luce venga riflessa esattamente nella stessa direzione da cui arriva. In questo modo, sparando da un punto della Terra, il laser riflesso dalla Luna tornera’ esattamente nello stesso punto dove puo’ essere misurato il tempo. Nella figura si vede la differenza di comportamento ottico tra un CCR ed un normale specchio in cui l’angolo di incidenza e’ identico a quello di riflessione della luce:

Confronto tra la luce riflessa da uno specchio piano e da un CCR

Nel mondo esistono diverse stazioni di Lunar Laser Ranging che raccolgono dati messi a disposizione della comunita’ scientifica.

Perche’ sto parlando di queste misure?

Sulla Luna ci sono diverse stazioni di CCR posizionate proprio per queste misurazioni. Vi mostro una foto molto importante di una di  queste stazioni:

Matrice di CCR posizionata dai membri dell’Apollo 11

Sapete cos’e’? E’ una matrice di CCR posizionata proprio da Neil Armstrong durante la missione Apollo 11 nel 1969.

Se non siamo mai andati sulla Luna chi ha posizionato i CCR?

Capite bene che le teorie complottiste sullo sbarco lunare sono solamente fantasie. Anche in questo caso, creare un castello di ipotesi campate in aria serve solo a far aumentare i telespettatori di trasmissioni TV o i lettori di pagine web. Purtroppo, resta sempre valido il discorso fatto in questi post:

– Homo homini lupus

– Il complotto del complottista

Come vedete, partendo dalle profezie del 2012, e’ possibile esplorare in modo divulgativo campi della scienza troppo spesso lasciati a siti internet e falsi comunicatori. Per approfondire tutti gli avvenimenti profetizzati per il 21 Dicembre, non perdete in libreria  “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.