Home Fisica Gli orologi atomici del futuro si adattano alla teoria della relatività

Gli orologi atomici del futuro si adattano alla teoria della relatività

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NIST's ultra-stable ytterbium lattice atomic clock. Ytterbium atoms are generated in an oven (large metal cylinder on the left) and sent to a vacuum chamber in the center of the photo to be manipulated and probed by lasers. Laser light is transported to the clock by five fibers (such as the yellow fiber in the lower center of the photo). Source Ytterbium Lattice Atomic Clock Author National Institute of Standards and Technology.

Gli orologi atomici ottici di prossima generazione potrebbero misurare la distorsione gravitazionale dello spazio-tempo attraverso la superficie terrestre, in modo più preciso dei metodi attuali. È quanto riporta un articolo pubblicato sulla rivista Nature. Questi orologi possono essere utilizzati per rilevare le onde gravitazionali, testare la relatività generale e cercare la materia oscura.

La teoria della relatività: il tempo non è assoluto

Il passare del tempo non è assoluto; dipende dal dato di riferimento. Di conseguenza, le misure dell’orologio sono sensibili alla velocità relativa, all’accelerazione e al potenziale di gravità: gli orologi in cima alle montagne battono più velocemente di quelli a livello del suolo a causa dell’aumento del potenziale di gravità.

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È necessaria una superficie di riferimento comune per confrontare orologi in punti diversi in un campo gravitazionale. Sulla Terra, questo è il geoide, la superficie di uguale potenziale che si adatta meglio al livello medio globale del mare.  Attualmente è determinato dalle misurazioni dell’altezza del Sistema di navigazione satellitare globale e da un modello di geoide che valuta la gravità. Entrambi sono attualmente limitati da incertezze di diversi centimetri, che potrebbero essere ridotte utilizzando orologi atomici.

Gli orologi atomici

Gli orologi atomici sono basati su misurazioni di specifiche transizioni atomiche a frequenze ottiche. La prossima generazione di orologi atomici sarà così sensibile agli effetti relativistici della gravità che potrebbero essere utilizzati come sonde geopotenziali.

William McGrew e colleghi caratterizzano due orologi a reticolo ottico in itterbio secondo tre parametri fondamentali. Riportano, in unità della frequenza dell’orologio, un’incertezza sistematica di 1,4 × 10-18, un’instabilità di misurazione di 3,2 × 10-19 e, attraverso ripetuti confronti locali di frequenza, una riproducibilità che porta a una differenza di frequenza tra gli orologi dell’ordine di 10-19. Tali prestazioni consentirebbero determinazioni del geoide con un’incertezza inferiore a un centimetro, superando così ampiamente le attuali tecniche.

 

F. McGrew, et al. Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level. Nature, 2018.

 

 

 

 

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