Ci vorrebbero 15 miliardi di anni perché l'orologio che occupa il laboratorio nel seminterrato di Jun Ye all'Università del Colorado perda un secondo, circa quanto tempo esiste l'universo.

Per questa invenzione, lo scienziato cinese-americano, insieme a Hidetoshi Katori del Giappone, dividerà $ 3 milioni come co-vincitori del 2022 Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

Lavorare in autonomia, le due tecniche sviluppate che utilizzano i laser per intrappolare e raffreddare gli atomi, quindi sfrutta le loro vibrazioni per guidare i cosiddetti "orologi reticolari ottici, " i pezzi di cronometraggio più precisi mai costruiti.

A confronto, gli attuali orologi atomici perdono un secondo ogni 100 milioni di anni.

Ma cosa si guadagna da una maggiore precisione?

"È davvero uno strumento che ti permette di sondare il tessuto di base dello spazio-tempo nell'universo, "Hai detto all'AFP.

Nel laboratorio di Ye, i ricercatori hanno dimostrato che il tempo scorre più lentamente quando l'orologio viene avvicinato al suolo di pochi centimetri, in linea con le previsioni della relatività di Einstein.

Applicato alla tecnologia attuale, questi orologi potrebbero migliorare la precisione della navigazione GPS di un fattore mille, o aiuta a far atterrare senza problemi uno spazioplano senza equipaggio su Marte.

Una breve storia del tempo

Migliorare la precisione e l'accuratezza del cronometraggio è stato un obiettivo da quando gli antichi egizi e i cinesi costruivano le meridiane.

Una svolta fondamentale arrivò con l'invenzione dell'orologio a pendolo nel 1656, che si basa su un peso oscillante per tenere il tempo, e pochi decenni dopo i cronometri erano abbastanza precisi da determinare la longitudine di una nave in mare.

L'inizio del XX secolo ha visto l'avvento degli orologi al quarzo, che quando viene scosso dall'elettricità risuona in modo molto specifico, alte frequenze, o numero di tick in un secondo.

Gli orologi al quarzo sono onnipresenti nell'elettronica moderna, ma sono ancora alquanto suscettibili alle variazioni causate dal processo di fabbricazione, o condizioni come la temperatura.

Il successivo grande balzo in avanti nella misurazione del tempo è venuto dallo sfruttare i movimenti degli atomi energizzati per sviluppare orologi atomici, immuni agli effetti di tali variazioni ambientali.

I fisici sanno che un singolo, una frequenza molto alta farà sì che le particelle chiamate elettroni che orbitano attorno al nucleo di un tipo specifico di atomo saltino a uno stato energetico più elevato, trovare un'orbita più lontana dal nucleo.

Gli orologi atomici generano la frequenza approssimativa che fa sì che gli atomi dell'elemento Cesio saltino a quello stato energetico più elevato.

Quindi, un rivelatore conta il numero di quegli atomi eccitati, regolare la frequenza se necessario per rendere l'orologio più preciso.

Così preciso che dal 1967, un secondo è stato definito come 9, 192, 631, 770 oscillazioni di un atomo di cesio.

Esplorando l'universo, e la Terra

I laboratori di Katori e Ye hanno trovato il modo di migliorare ulteriormente gli orologi atomici spostando le oscillazioni all'estremità visibile dello spettro elettromagnetico, con frequenze centomila volte superiori a quelle utilizzate negli attuali orologi atomici, per renderli ancora più precisi.

Si resero conto che avevano bisogno di un modo per intrappolare gli atomi, in questo caso, dell'elemento stronzio e tenerli fermi a temperature ultrabasse per aiutare a misurare correttamente il tempo.

Se gli atomi cadono per gravità o si muovono in altro modo, ci sarebbe una perdita di precisione, e la relatività causerebbe effetti distorsivi sul cronometraggio.

Per intrappolare gli atomi, gli inventori hanno creato un "reticolo ottico" fatto da onde laser che si muovono in direzioni opposte per formare una stazionaria, a forma di scatola di uova.

Ye è entusiasta del potenziale uso del suo orologio. Per esempio, sincronizzare gli orologi dei migliori osservatori del mondo fino alle più piccole frazioni di secondo consentirebbe agli astronomi di concettualizzare meglio i buchi neri.

Orologi migliori possono anche gettare nuova luce sui processi geologici della Terra.

La relatività ci dice che il tempo rallenta quando si avvicina a un corpo massiccio, quindi un orologio sufficientemente accurato potrebbe dire agli scienziati la differenza tra roccia solida e lava vulcanica sotto la superficie, aiutando a prevedere un'eruzione.

O in effetti, misurare i livelli degli oceani, o quanta acqua scorre sotto un deserto.

La prossima grande sfida, si dice, miniaturizzare la tecnologia in modo che possa essere spostata fuori da un laboratorio.

Lo scienziato ammette che a volte è difficile spiegare al pubblico i concetti fondamentali della fisica.

"Ma quando sentono parlare di orologi, possono sentire che è una cosa tangibile, possono stabilire una connessione con questo, e questo è molto gratificante, " Egli ha detto.

© 2021 AFP