Nuovi orologi atomici: il domani ha l’ora esatta

È migliaia di volte più preciso degli attuali modelli di orologi atomici e ha dimensioni talmente piccole da poter essere inserito in uno smartphone. La precisione e le dimensioni di questo nuovo orologio atomico sono destinate a rivoluzionare Gps, auto a guida autonoma e sistemi di monitoraggio sismico per le indagini geologiche

“Il tempo è un’illusione”. Non è certo che Einstein l’abbia detto veramente, ma è quanto si potrebbe dedurre dalle sue teorie. E questo implica (dal suo relativistico punto di vista) che il tempo non esiste e dunque non può essere misurato. Per noi, invece, il tempo è molto reale e ha un’enorme influenza sulla nostra vita. Anche se non ci soffermiamo mai abbastanza a riflettere su quanto sia importante misurarlo con precisione.

Eppure, bastano pochi esempi per scoprire come errori, anche minimi, nella misura del tempo possano avere terribili conseguenze. Nel 1988, un errore nei sistemi di sincronizzazione contribuì al tragico incidente ferroviario della Gare de Lyon a Parigi. Un treno suburbano viaggiava con freni difettosi ma l’orologio impreciso della sala di controllo fece attivare in ritardo i segnali di emergenza, impedendo di deviare il treno in tempo. La collisione che ne scaturì provocò 56 morti. Nel 1991, durante la Prima guerra del Golfo, il sistema antimissile americano Patriot che doveva intercettare gli Scud iracheni utilizzava un timer interno che manifestò una piccola imprecisione nell’arrotondamento del tempo. Accumulandosi nei giorni, questo errore portò all’errata localizzazione di uno Scud, con il risultato che il missile iracheno non fu intercettato e colpì una caserma americana. Morirono 28 soldati.
Nel 1996, il lanciatore dell’Agenzia spaziale europea Ariane 5 esplose 37 secondi dopo il lancio per un errore nel sistema di guida. Il problema fu dovuto in parte a un orologio interno che aveva una precisione insufficiente a gestire correttamente i dati forniti all’algoritmo di guida.
Nel 2003, uno dei peggiori blackout della storia colpì Stati Uniti e Canada. In quel caso, alcuni registratori usati per monitorare il flusso di energia avevano orologi interni non perfettamente sincronizzati. Ciò rese difficile capire l’ordine esatto degli eventi e il ritardo nell’identificazione del guasto impedì agli operatori di intervenire in tempo, portando al collasso dell’intera rete elettrica.
Più recentemente, nel gennaio 2016, un errore nel sistema satellitare Gps, legato alla scarsa precisione nella gestione dei tempi nel software di alcuni satelliti, provocò disallineamenti nei segnali temporali trasmessi. Vi furono problemi in tutto il mondo con ricadute sui sistemi bancari, sulle reti elettriche e su quelle di telecomunicazioni.

Questi esempi mostrano come l’evoluzione della società umana e l’aumento della sua complessità abbiano richiesto di misurare il tempo con sempre maggiore precisione, spingendo a creare strumenti sempre più raffinati.
Così, dalle meridiane agli orologi al quarzo, fino a quelli atomici, la ricerca della precisione si è spinta sempre oltre.

Ma, in effetti, come misuriamo una grandezza così sfuggente come il tempo? In un certo senso, con un trucco. Contando gli intervalli di un fenomeno che si verifica ripetutamente, e più questa ripetizione è regolare, più la misura è precisa. Può essere l’oscillazione di un pendolo o la vibrazione di un cristallo di quarzo, eventi molti stabili ma non privi di piccole irregolarità che si accumulano nel tempo generando errori. L’oscillazione più stabile che riusciamo a manipolare è quella a livello atomico che, in genere, implica l’uso di microonde per stimolare gli elettroni di un atomo a spostarsi tra diversi livelli di energia. Questi spostamenti, o ‘oscillazioni’, avvengono a un tasso estremamente elevato e costante, dell’ordine di un miliardesimo di secondo.

Sfruttando questo fenomeno, circa 60 anni fa, venne sviluppato il primo orologio atomico basato sulle transizioni elettroniche del Cesio-133, che rivoluzionò la misurazione del tempo. Oggi, circa 400 di questi orologi, disseminati in una settantina di laboratori di metrologia in tutto il mondo, forniscono la durata standard del secondo nel Sistema internazionale che scandisce il Tempo universale coordinato (Utc) che sta alla base, tra l’altro, del sistema Gps.

Ora, però, scienziati della Purdue University negli Usa e della svedese Chalmers University of Technology, si sono spinti ancora più in là, sviluppando un microchip per computer che si candida ad essere non solo l’orologio atomico più preciso del pianeta ma anche il primo così piccolo da poter essere usato fuori da un laboratorio e inserito nei dispositivi che usiamo quotidianamente.

Grande appena 5 millimetri, ha dei minuscoli denti che lo rendono simile a un micro-pettine e, contrariamente agli orologi atomici classici che utilizzano le microonde per eccitare gli atomi, usa l’ottica, cioè la luce. Quella dei laser, per la precisione, le cui frequenze vengono agganciate dai denti del micro-pettine, consentendo di misurare le oscillazioni atomiche su una scala molto più fine, il che si traduce in una maggiore precisione.

Il nuovo sistema apre, dunque, la strada a una nuova classe di dispositivi, a cominciare da sistemi Gpswq cento volte più accurati dei migliori di oggi, con una precisione che passa dai metri ai centimetri. È un salto in avanti per tutti i sistemi elettronici basati sul posizionamento. Rende possibile una nuova generazione di droni e veicoli a guida autonoma con maggiore autonomia, così come smartphone e sistemi di monitoraggio sismico o per indagini geologiche dalle prestazioni prima impensabili. Un orologio atomico ottico di questo tipo, infatti, permetterebbe di realizzare dispositivi capaci di rilevare spostamenti anche minimi sulla superficie terrestre, utili a monitorare, per esempio, l’attività vulcanica o geologica e fenomeni particolari come il bradisismo dei Campi Flegrei.

Come ha dichiarato uno degli autori della ricerca, “speriamo che i futuri progressi nei materiali e nelle tecniche di produzione possano semplificare ulteriormente la tecnologia, avvicinandoci a un mondo in cui il cronometraggio ultra-preciso sia una caratteristica standard nei nostri telefoni cellulari e computer”.

Una prospettiva niente male per uno strumento che, in fondo, misura qualcosa che forse non esiste.