La Stampa TuttoScienze 25.11.15
Il tempo
Misureremo l’Universo con i super-orologi atomici
La nuova fisica? Inizia con gli atomi freddi che catturano il tempo
di Massimo Inguscio
Istituto Inrim - Torino Istituto Inrim - Torino

Orologi Negli atomici gli elettroni oscillano a frequenze milioni di miliardi superiori a quelle degli orologi classici. Così si possono misurare le derive dei continenti o le deformazioni delle montagne

Si sa, le grandi rivoluzioni scientifiche generano applicazioni dapprima inimmaginabili, che finiscono poi per essere cruciali per il miglioramento della qualità della vita con invenzioni tecnologiche che spesso entrano nel quotidiano come cosa ovvia e scontata. Non fa eccezione la Relatività generale di Einstein, una teoria astratta ed immaginifica: senza la puntuale previsione di effetti calcolabili e controllabili con precisione i navigatori satellitari che ci hanno abituato ad orientarci con pochi centimetri di incertezza accumulerebbero errori di centinaia di metri nemmeno nell’arco di una giornata.
È l’effetto della gravità che entra nella descrizione di uno spazio-tempo che si curva in presenza di masse come quella terrestre. La gravità «rallenta» lo scorrere del tempo ed orologi molto precisi possono diventare sensibilissimi strumenti per la misura della gravità. Ecco, un altro filone applicativo, una nuova «geodesia relativistica», ove è possibile seguire in tempo reale maree terrestri, movimenti di masse, livello delle acque di falda. Un esperimento con un orologio posto nella galleria del Frejus, frutto di una collaborazione con colleghi europei e collegato in fibra ottica agli orologi di riferimento in pianura a Torino, consentirà ai metrologi dell’Inrim di monitorare le evoluzioni della gravità col succedersi delle stagioni e, magari, rivelare fenomeni imprevisti.
Certo, si tratta di orologi un po’ speciali, dove l’oscillazione di riferimento è legata al «moto» degli elettroni negli atomi. Il primo orologio atomico usava atomi di cesio e fu realizzato 60 anni fa, oggi disponiamo di oscillatori atomici diversi, soprattutto fermiamo quasi gli atomi con la luce e li abbiamo a disposizione per misure sempre più precise. Anche questo mondo degli atomi freddi, ora realtà tecnologica, è il risultato di un progresso a cui il genio di Einstein non è stato estraneo, ad esempio con la comprensione degli strani meccanismi con i quali la luce interagisce con gli atomi, che, tra l’altro, ha portato all’invenzione del laser.
Ma torniamo alla Relatività generale ed alle sue verifiche, ad esempio a quella del postulato di invarianza per cui le leggi fisiche debbano essere indipendenti da quando e dove un esperimento viene effettuato. La gravità sulla Terra varia periodicamente per l’attrazione del Sole, più o meno lontano nel corso delle stagioni, ma la Relatività prevede che il confronto del tempo tra orologi con atomi diversi e diversi «meccanismi fisici» debba rimanere invariato. Una prima pionieristica conferma del postulato di invarianza venne nel 1995 da un esperimento del gruppo di Aldo Godone, che confrontò nel tempo l’orologio al cesio con l’orologio con l’atomo di magnesio inventato proprio all’istituto Galileo Ferraris (oggi Inrim).
Gli orologi atomici sono al cuore delle verifiche sempre più spinte di come la gravità influenzi lo scorrere del tempo: prime importanti conferme risalgono ad una quarantina di anni fa con esperimenti in cui orologi atomici vennero spostati dai laboratori metrologici in alta montagna, memorabile quello di Briatore e Leschiutta dal Galileo Ferraris al Plateau Rosa, o lanciati con un razzo sino a 10 mila km di quota, dove si registrava un tempo quasi un miliardesimo di volte più veloce rispetto al momento del lancio, con una verifica della «dilatazione relativistica» accurata alla «quarta cifra decimale».
Un imprevisto offre ora l’occasione per verifiche molto più precise. Nell’agosto dello scorso anno la comunità scientifica che fa capo al nuovo sistema di navigazione «Galileo» fu profondamente delusa quando il quinto e sesto satellite, con orologi cruciali per la nuova architettura del tempo nello spazio, vennero lanciati in orbite lontane da quelle programmate. Sono orbite molto ellittiche, dove si sale e si scende in «altitudine» di qualcosa come 8500 km due volte al giorno. In un anno si hanno centinaia di orbite, con misure ripetute dell’effetto gravitazionale sul tempo, che consentiranno al network di stazioni «Galileo» a terra di identificare e correggere sottili errori sistematici e migliorare in un anno di quattro volte la precisione del test della Relatività generale. Fondamentale è il controllo degli orologi nello spazio operato proprio dal network mondiale di stazioni sincronizzate, in Italia presso il centro del Fucino di Telespazio e all’Inrim di Torino.
La corsa verso maggiori precisioni, «più cifre decimali», continua con il previsto «trasporto» del tempo in fibra ottica da Torino al Fucino sino all’Asi di Matera e con la messa in opera di un orologio atomico ultrafreddo sulla Stazione spaziale. Misure più precise, giusto qualche cifra decimale in più, qualcuno potrà pensare. Eppure molte delle sorprese nella scienza vengono da misure sempre più accurate, come quelle sulla luce emessa dall’atomo di idrogeno che portò allo sviluppo della meccanica quantistica relativistica con la previsione, tra l’altro, dell’esistenza dell’antimateria. Ma questa è un’altra storia…
Steven Chu, premio Nobel proprio per gli atomi freddi e già ministro per l’energia di Obama, in occasione di una celebrazione della metrologia internazionale ebbe ad affermare: «L’accuratezza delle misure è al cuore della fisica e nella mia esperienza la nuova fisica inizia con la prossima cifra decimale». Le scoperte sono ovviamente per loro natura imprevedibil, ma un grande ottimismo nasce dal fatto che la fisica atomica è «distribuita» in centinaia se non migliaia di esperimenti alla portata di tante menti creative. Va già oltre la semplice immaginazione l’idea di collegare in modo coerente e fare battere all’unisono orologi sparsi nel mondo, possibile architettura di un osservatorio quantistico su scala planetaria.