L’orologio come strumento per misurare lo spazio: dopo la longitudine, la sfida è la localizzazione GPS!

20 aprile 2016 | ,

Difficile da immaginarsi, ma la misurazione del tempo rappresenta una sfida tecnica strettamente correlata all’esigenza della misurazione dello spazio. Gli anni e le risorse investite con l’obiettivo di poter misurare la longitudine, nel corso del ’600 e del ’700,  lo dimostrano. I cronometri da marina hanno permesso la navigazione sicura degli oceani e la regolarizzazione delle rotte intercontinentali via acqua.

Allo stesso modo, il salto tecnologico al quale abbiamo assistito nell’ultimo decennio con i progressi di localizzazione tramite satellite (GPS) è sempre legato allo sviluppo della capacità di misurazione del tempo. Una precisissima misurazione del tempo è infatti alla base di ogni aspetto del funzionamento delle moderne infrastrutture: oltre al GPS, anche i telefoni smartphone, i network di computer, Internet, l’energia elettrica… tutto questo richiede una sincronizzazione al miliardesimo di secondo.

Come è possibile questa precisione? Grazie all’atomo. Sono infatti gli orologi atomici a segnare il nostro tempo: la frequenza di risonanza di un atomo, solitamente di Cesio, è alla base della moderna definizione del secondo (molto poco affascinante, se vista con gli occhi degli amanti del tempo misurato meccanicamente) come “la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione emessa dall’atomo dell’isotopo 133 del cesio in una transizione energetica specifica”.

Oggi però numerosi scienziati esperti in metrologia stanno sperimentando nuove tecnologie per la misurazione del tempo, dando vita ad una nuova generazione di orologi atomici, conosciuti come ottici. Il trucco risiede non solamente nell’essere in grado di generare impulsi sempre più frequenti, ma anche nella capacità di poterli contare in modo sempre più veloce. Usando un laser con impulso di un millesimo di un milionesimo di un milionesimo di secondo si è superato il nanosecondo! Per dare una idea degli effetti di questa innovazione, gli orologi atomici ottici sono in grado di mantenere il tempo con una precisione maggiore di cinque ordini di grandezza rispetto quella possibile con gli orologi atomici esistenti: precisi per i prossimi 4,5 miliardi di anni!

Tutto questo, a quale fine? Per capirlo, basta pensare al funzionamento dei sistemi di posizionamento satellitare. Un ricevitore di GPS triangola la propria posizione attraverso i segnali ricevuti dai satelliti. Questi satelliti, dotati di piccoli orologi atomici, registrano il segnale del ricevitore con la precisione del nanosecondo, o miliardesimo di secondo. Poichè la velocità del segnale satellitare è nota, la misurazione esatta del tempo necessario all’invio del segnale permette di derivare la posizione del ricevitore prendendo le posizioni dei satelliti come punti di riferimento. Se invece del miliardesimo di secondo i satelliti potessero registrare solamente il milionesimo di secondo, le rilevazioni avrebbero la precisione di chilometri, anzichè di metri.

Oltre al GPS, anche la meno nota attività di prospezione dei fondali marini è basata sulla precisione della misurazione del tempo del sonar, che calcola la distanza attraverso il tempo con il quale eventuali oggetti riflettono il suono emesso dall’apparecchio. Il sonar è utilizzato per la valutazione di ostacoli marini, per la misurazione della profondità degli oceani, ma anche la capacità di rilevazione della composizione della crosta terrestre e dell’eventuale presenza di giacimenti minerari

Questo fa capire la potenzialità dell’applicazione di nuovi standard di metrologia alle attuali tecnologie. Passare al trilionesimo di secondo è veramente necessario? Difficile dirlo a priori: quando fu inventato l’orologio atomico al cesio, avremmo mai pensato che avrebbe permesso di guidare le nostre automobili?

L'orologio atomico ottico del ricercatore Alan Madej Credits: The New Yorker

L’orologio atomico ottico del ricercatore Alan Madej
Credits: The New Yorker