Il tempo di misurazione riguarda il conteggio dei passi. Che si tratti del gocciolamento di un orologio ad acqua, del tic-toc di un orologio meccanico o del cristallo oscillante di un orologio al quarzo. Qualsiasi orologio preciso è costruito intorno al conteggio dei passi di qualcosa di regolare e periodico. Niente è perfettamente regolare, quindi nessun orologio mantiene l’ora perfetta, ma i nostri orologi stanno diventando molto, molto precisi.

Il tempo è tradizionalmente misurato in termini di astronomia, come il sorgere e il tramontare del Sole, o il moto delle stelle e della Luna. Ci sono stati diversi metodi popolari, ma nel 1800 il tempo era misurato da quello che è noto come il giorno solare medio. Un giorno non è sempre esattamente di 24 ore. Quando la Terra si muove lungo la sua orbita ellittica, la sua velocità intorno al Sole cambia leggermente, rendendo la giornata leggermente più lunga o più breve a seconda della stagione. Ma prendendo la media (nello specifico la media) dei giorni nell’arco di un anno, gli astronomi potrebbero definire uno standard comune.

Man mano che i nostri orologi meccanici diventavano più precisi, divenne chiaro che il giorno solare medio era problematico. La rotazione della Terra non è costante, ma cambia a causa degli spostamenti tettonici, e a causa della sua danza gravitazionale la con la Luna, la Terra ruota più lentamente nel tempo. Così nel 1956 il tempo è stato definito in termini di orbita della Terra piuttosto che di rotazione.

Nel 1967, ci siamo completamente allontanati dall’astronomia quando la lunghezza di un secondo è stata ridefinita in termini di orologio atomico. L’oscillazione misurata non si basa su un atomo, ma sulla luce emessa da un atomo. Gli atomi creano luce quando un elettrone passa da uno stato energetico superiore a uno inferiore. Poiché i livelli di energia in un atomo sono quantizzati, la luce viene emessa ad una frequenza precisa. Nel 1967 la lunghezza di un secondo è stata fissata definendo una specifica emissione di cesio-133 per essere esattamente 9.192.631.770 Hz. Questo è lo standard che usiamo ancora oggi.

Anche se lo standard moderno è ufficialmente esatto, non è in realtà Esatto. Due orologi atomici dello stesso design mantengono tempi leggermente diversi. Confrontando statisticamente gli orologi atomici, sappiamo che sono precisi a circa un secondo in trenta milioni di anni. Probabilmente è abbastanza preciso per l’uso quotidiano, ma non è abbastanza preciso per alcuni scopi scientifici. Se avessimo orologi più precisi, potremmo usarli per studiare tutto, dalla geologia all’energia oscura. Quindi c’è una ricerca in corso per sviluppare un nuovo standard più preciso.

La maggior parte degli approcci guarda ai metodi puramente ottici, ma i nuovi lavori in Natura usa gli atomi nell’entanglement quantistico. Uno dei motivi per cui gli orologi atomici moderni non sono perfetti è che gli atomi si contraggono quando la luce viene emessa, il che sposta leggermente la frequenza della luce emessa. Se l’atomo potesse essere mantenuto perfettamente fermo quando emette luce, allora la frequenza della luce sarebbe esatta. Ma la meccanica quantistica mantiene la posizione di un atomo un po’ sfocata, il che significa che anche la frequenza della luce emessa è un po’ sfocata. Questo effetto è noto come limite quantico standard.

Per affrontare questo problema, il team utilizza un effetto noto come entanglement quantistico. Usando i laser per spremere insieme gli atomi, essi possono forzare gli atomi ad interagire a livello quantistico in modo tale che una misurazione su un atomo li misuri anche tutti. Così, gli stati di questi atomi sono aggrovigliati. Quando un altro laser viene usato per far scattare un atomo che emette luce, si verifica una cascata che sincronizza gli atomi tra loro. La luce emessa è quindi molto più precisa del limite quantico standard.

L’analisi statistica di questo nuovo orologio mostra che può funzionare con una precisione di 100 millisecondi sull’età dell’universo. L’orologio è così preciso che potrebbe verificare se le costanti fisiche universali cambiano nel tempo.

Il nostro standard per il cronometraggio non cambierà presto, ma è chiaro che possiamo fare di meglio. Ad un certo punto, in futuro, adotteremo un metodo più accurato. Quando lo faremo, un orologio basato sull’entanglement quantistico potrebbe essere la soluzione. Se questo è il caso, i nostri orologi ufficiali utilizzeranno la stranezza quantistica per superare la sfocatura quantistica.

Riferimento: Edwin Pedrozo-Peñafiel, et al. “Inserimento in una transizione ottica dell’orologio atomico.” Natura 588 (2020): 414