Orologi atomici: l'ora esatta - la chiave per progredire

Gli orologi atomici sono gli strumenti di misurazione del tempo più precisi che esistono oggi e stanno diventando sempre più importanti con lo sviluppo e la sofisticazione delle moderne tecnologie.

Principio di funzionamento

Gli orologi atomici non contano il tempo esatto dovuto al decadimento radioattivo, come suggerisce il loro nome, ma usando le vibrazioni dei nuclei e degli elettroni che li circondano. La loro frequenza è determinata dalla massa del nucleo, dalla gravità e dal "bilanciamento" elettrostatico tra il nucleo e gli elettroni caricati positivamente. Questo non è del tutto coerente con il solito meccanismo a orologeria. Gli orologi atomici sono custodi del tempo più affidabili, poiché le loro fluttuazioni non cambiano in base a fattori ambientali quali umidità, temperatura o pressione.

Evoluzione dell'orologio atomico

Per molti anni, gli scienziati hanno capito che gli atomi hanno frequenze di risonanza associate alla capacità di ciascuno di assorbire ed emettere radiazioni elettromagnetiche. Negli anni Trenta e Quaranta, furono sviluppate apparecchiature per comunicazioni ad alta frequenza e sistemi radar, che potevano interagire con le frequenze di risonanza di atomi e molecole. Questo ha contribuito all'idea dell'orologio.

Le prime copie furono costruite nel 1949 dal National Institute of Standards and Technology (NIST). L'ammoniaca è stata utilizzata come fonte di vibrazione. Tuttavia, non erano molto più precisi degli standard temporali esistenti, e nel cesio della generazione successiva fu usato.

Nuovo standard

Il cambiamento nella precisione della misurazione del tempo si rivelò così ampio che nel 1967 la Conferenza Generale su Misure e Pesi definì il secondo SI come 9.192.631.770 oscillazioni di un atomo di cesio alla sua frequenza di risonanza. Ciò significava che il tempo non era più associato al moto della Terra. Gli orologi atomici più stabili al mondo furono creati nel 1968 e furono usati come parte del sistema di riferimento temporale NIST fino agli anni '90.

Miglioramenti dell'automobile

Uno degli ultimi progressi in questo settore è il raffreddamento laser. Ciò ha migliorato il rapporto segnale-rumore e ridotto l'incertezza nel segnale di clock. Per ospitare questo sistema di raffreddamento e altre attrezzature utilizzate per migliorare gli orologi al cesio, è necessario lo spazio delle dimensioni di un vagone ferroviario, anche se le opzioni commerciali possono stare in una valigia. Una di queste installazioni di laboratorio conta il tempo a Boulder, in Colorado, ed è l'orologio più preciso sulla Terra. Si sbagliano solo per 2 nanosecondi al giorno o per 1 s in 1,4 milioni di anni.

Tecnologia sofisticata

Tale tremenda precisione è il risultato di un processo complesso. Prima di tutto, il cesio liquido viene posto in un forno e riscaldato fino a quando non diventa gas. Atomi di metallo ad alta velocità di uscita attraverso un piccolo foro nella fornace. Gli elettromagneti li fanno dividere in fasci separati con energie diverse. Il fascio richiesto passa attraverso un foro a forma di U, e gli atomi sono esposti a energia a microonde a una frequenza di 9.192.631.770 Hz. A causa di ciò, sono eccitati e passano a un altro stato energetico. Quindi il campo magnetico filtra gli altri stati di energia atomica.

Il rilevatore risponde al cesio e mostra un massimo alla frequenza corretta. Questo è necessario per impostare un oscillatore al quarzo che controlli il meccanismo di sincronizzazione. Dividendo la sua frequenza di 9.192.631.770 e dà un impulso al secondo.

Non solo cesio

Sebbene gli orologi atomici più comuni utilizzino le proprietà del cesio, ce ne sono altri tipi. Differiscono nell'elemento usato e nei mezzi per determinare il cambiamento. livello di energia. Altri materiali sono l'idrogeno e il rubidio. Gli orologi atomici sull'idrogeno funzionano come il cesio, ma richiedono un contenitore con pareti fatte di un materiale speciale che impedisce agli atomi di perdere energia troppo rapidamente. Gli orologi al rubidio sono i più semplici e compatti. In essi, una cella di vetro riempita con gas di rubidio cambia l'assorbimento della luce quando viene esposta a frequenze ultra alte.

Chi ha bisogno del tempo esatto?

Oggi il tempo può essere contato con estrema precisione, ma perché è così importante? Ciò è necessario in sistemi come telefoni cellulari, Internet, GPS, programmi di aviazione e televisione digitale. A prima vista, questo non è ovvio.

Un esempio di come viene usata l'ora esatta è la sincronizzazione dei pacchetti. Migliaia di telefonate attraversano la linea di mezzo. Questo è possibile solo perché la conversazione non viene trasmessa completamente. L'azienda di telecomunicazioni la divide in piccoli pacchetti e salta persino alcune delle informazioni. Poi passano attraverso la linea insieme ai pacchetti di altre conversazioni e all'altra estremità vengono ripristinati senza mescolare. Il sistema di temporizzazione dello scambio telefonico può determinare quali pacchetti appartengono a questa conversazione, in base all'ora esatta di invio delle informazioni.

GPS

Un'altra implementazione del tempo esatto è il sistema di posizionamento globale. Consiste di 24 satelliti che trasmettono le loro coordinate e il loro tempo. Qualsiasi ricevitore GPS può connettersi con loro e confrontare i tempi di trasmissione. La differenza consente all'utente di determinare la loro posizione. Se questo orologio non fosse molto preciso, il sistema GPS sarebbe poco pratico e inaffidabile.

Limite di perfezione

Con lo sviluppo della tecnologia e degli orologi atomici, le imprecisioni dell'Universo sono diventate evidenti. La terra si muove in modo non uniforme, il che porta a variazioni casuali nella durata di anni e giorni. In passato, questi cambiamenti sarebbero passati inosservati, poiché gli strumenti per misurare il tempo erano troppo imprecisi. Tuttavia, con grande delusione di ricercatori e scienziati, il tempo dell'orologio atomico deve essere regolato per compensare le anomalie del mondo reale. Sono strumenti straordinari che contribuiscono al progresso della tecnologia moderna, ma la loro perfezione è limitata dai limiti posti dalla natura stessa.