Un libro scritto dal direttore e da due ricercatori dell’Ino-Cnr chiarisce la rivoluzione in corso nella misura del tempo grazie agli orologi atomici che hanno margini di errore di un secondo in un arco di tempo pari all’età dell’universo. Merito della frequenza della luce laser assorbita dagli atomi, capace di percepire la differenza tra lo scorrere del tempo sulla testa di un uomo e ai suoi piedi. La rete di fibre che trasporterà questa «luce» apre prospettive scientifiche e industriali di frontiera
Il tempo e la luce sono andati di pari passo per molti secoli, ma i più recenti risultati nei settori della spettroscopia e dell’ottica quantistica ottenuti con le sorgenti laser stanno operando una vera rivoluzione nella misura del tempo che ora un libro chiarisce in prospettiva storica, partendo dai fondamenti della fisica. Il libro è «Laser-based measurements for time and frequency domain applications», edito da CRC Press-Taylor&Francis Group, di cui sono autori Paolo De Natale, Pasquale Maddaloni e Marco Bellini, rispettivamente direttore e ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr).
«La misura del tempo si basa in realtà sulla frequenza, che è l’inverso del tempo – spiega De Natale – per molti secoli tale misura è avvenuta con strumenti meccanici, in particolare il pendolo, riconosciuto già da Galileo come un ottimo orologio, in cui la frequenza è stabilita dalle oscillazioni. Prima ancora la si misurava dal sorgere e tramontare quotidiano del sole. A partire dagli anni 60 siamo arrivati agli attuali orologi atomici che, basati su atomi eccitati da un laser a luce visibile o ultravioletta, possono compiere anche un milione di miliardi di cicli in un solo secondo. In altre parole, la frequenza della luce laser assorbita dagli atomi ha sostituito quella di oscillazione di un pendolo o del sorgere e tramontare del sole».
Questo enorme aumento delle frequenze ha indotto un analogo progresso nella precisione della misura del tempo. Utilizzare frequenze più alte corrisponde infatti a suddividere il lasso di tempo da misurare in un numero maggiore di cicli di oscillazione dello strumento, riducendo così il margine di incertezza nel loro conteggio; un po’ come aumenta la precisione nella misura delle distanze utilizzando un righello con una suddivisione al millimetro invece del contachilometri.
«Questo è un aspetto cruciale. Le tecniche di interrogazione degli atomi con il laser stanno consentendo misure incredibili, ad esempio la differenza tra lo scorrere del tempo tra la testa (più veloce) e i piedi di un uomo, legata agli effetti della relatività generale. I migliori orologi atomici oggi fluttuano di un secondo in un arco di tempo confrontabile all’età dell’universo, mentre i primi orologi a pendolo fluttuavano anche di 10 secondi in un giorno», prosegue Maddaloni.
Tali possibilità, aperte grazie a decenni di scienza e tecnologia nel campo dell’ottica, della fisica della materia e dei fenomeni quantistici, aprono una nuova frontiera nella misura di frequenza, tempo e posizione rappresentata dalla possibilità di trasportare mediante fibre ottiche la luce laser, resa «stabile» dall’interazione con gli atomi. «Nei prossimi anni si realizzerà una rete europea di fibre che trasporterà questa “luce” speciale, e l’Italia ha già collegato Torino, Milano, Bologna e Firenze grazie a una collaborazione guidata da Inrim (l’Istituto nazionale di ricerca metrologica), già noto come Istituto elettrotecnico nazionale “Galileo Ferraris”, che fornisce l’ora esatta in Tv ed è custode per l’Italia degli standard di riferimento, con Cnr, Inaf, Infn e Università di Firenze», conclude Bellini.
Questa nuova opportunità promette inedite prospettive non soltanto di ricerca scientifica di frontiera ma anche nello sviluppo di processi industriali innovativi a tecnologia più avanzata, in settori quali l’aerospazio, le telecomunicazioni e i futuri calcolatori quantistici.
