Secondo la teoria della gravità di Einstein, la relatività generale, gli orologi ticchettano più velocemente quanto più sono lontani dalla Terra o da un altro oggetto massiccio. In teoria, ciò dovrebbe valere anche per differenze molto piccole nelle misure degli orologi.
Ora un orologio atomico incredibilmente sensibile ha individuato quell’accelerazione su un campione di atomi di dimensioni millimetriche, rivelando l’effetto su una differenza di altezza più piccola che mai. Il tempo si è spostato leggermente più velocemente nella parte superiore di quel campione rispetto alla parte inferiore, i ricercatori riferiscono il 24 settembre su arXiv.org.
“È fantastico”, afferma la fisica teorica Marianna Safronova dell’Università del Delaware a Newark, che non è stata coinvolta nella ricerca. “Pensavo che ci sarebbe voluto molto più tempo per arrivare a questo punto”. L’estrema precisione della misurazione dell’orologio atomico suggerisce la possibilità di utilizzare gli orologi sensibili per testare altri concetti fondamentali della fisica.
Una proprietà intrinseca degli atomi consente agli scienziati di usarli come orologi. Gli atomi esistono a diversi livelli di energia e una specifica frequenza di luce li fa saltare da un livello all’altro. Quella frequenza, la velocità di oscillazione delle onde luminose, ha lo stesso scopo della lancetta dei secondi che ticchetta regolarmente.
Per gli atomi più lontani dal suolo, il tempo scorre più velocemente, quindi sarà necessaria una maggiore frequenza di luce per far saltare l’energia. In precedenza, gli scienziati avevano misurato questo spostamento di frequenza, noto come redshift gravitazionale, su una differenza di altezza di 33 centimetri.
Nel nuovo studio, il fisico Jun Ye di JILA a Boulder, in Colorado, e colleghi hanno utilizzato un orologio composto da circa 100.000 atomi di stronzio ultrafreddi. Quegli atomi erano disposti in un reticolo, il che significa che gli atomi sedevano a una serie di altezze diverse come se si trovassero sui pioli di una scala. La mappatura di come la frequenza è cambiata su quelle altezze ha rivelato uno spostamento.
Dopo aver corretto gli effetti non gravitazionali che potrebbero spostare la frequenza, la frequenza dell’orologio è cambiata di circa un centesimo di quadrilionesimo di percento su un millimetro, proprio la quantità prevista secondo la relatività generale.
Inoltre, dopo aver raccolto dati per circa 90 ore, confrontando il ticchettio delle sezioni superiore e inferiore dell’orologio, gli scienziati hanno determinato che la loro tecnica potrebbe misurare i relativi tassi di ticchettio con una precisione di 0,76 milionesimi di trilionesimo di percento. Ciò lo rende un record per il confronto di frequenza più preciso mai eseguito.
In uno studio correlato, presentato anche il 24 settembre ad arXiv.org, un altro team di ricercatori ha caricato atomi di stronzio in porzioni specifiche di un reticolo per creare sei orologi in uno. “È molto eccitante anche quello che hanno fatto”, afferma Safronova.
Shimon Kolkowitz dell’Università del Wisconsin-Madison e colleghi hanno misurato i relativi ticchettii di due degli orologi, separati da circa sei millimetri, con una precisione di 8,9 milionesimi di un trilionesimo di percento, che a sua volta sarebbe stato un nuovo record se non fosse stato battuto dal gruppo di Ye. Con quella sensibilità, gli scienziati potrebbero rilevare una differenza tra due orologi che ticchettano a una velocità così leggermente diversa da essere in disaccordo di solo un secondo dopo circa 300 miliardi di anni.
L’orologio di Ye potrebbe rilevare una discrepanza ancora più piccola tra le due metà dell’orologio di un secondo accumulato in circa 4 trilioni di anni. Sebbene il team di Kolkowitz non abbia ancora misurato lo spostamento verso il rosso gravitazionale, la configurazione potrebbe essere utilizzata per questo in futuro. Gli autori di entrambi gli studi hanno rifiutato di commentare, poiché i documenti non sono ancora stati sottoposti al processo di revisione tra pari.
Orologi come futuri radar di materia oscura
La precisione delle misurazioni suggerisce possibilità future, afferma il fisico teorico Victor Flambaum dell’Università del New South Wales a Sydney. Ad esempio, “gli orologi atomici ora sono così precisi che possono essere usati per cercare la materia oscura”, dice. Questa sostanza furtiva e non identificata si nasconde invisibilmente nel cosmo; alcuni tipi ipotizzati di materia oscura potrebbero alterare il tic tac degli orologi.
Gli scienziati potrebbero anche confrontare orologi atomici fatti di diversi isotopi, atomi con un numero variabile di neutroni nei loro nuclei, che potrebbero suggerire nuove particelle sconosciute. E gli orologi atomici possono aiutare a studiare se le costanti fondamentali della natura possono variare.
La capacità di confrontare con precisione diversi orologi è importante anche per un importante obiettivo del cronometraggio: aggiornare la definizione di un secondo. La lunghezza di un secondo è attualmente definita utilizzando una generazione precedente di orologi atomici che non sono precisi come quelli più recenti come quelli utilizzati nei due nuovi studi.
“C’è un futuro molto brillante per gli orologi”, afferma Safronova.