Festival della Scienza, Genova, 30 ottobre 2014
La misura del tempo:
Sfida all’ultimo milliardesimo
di secondo
Noël DIMARCQ
SYRTE – Systèmes de Référence Temps-Espace
1
Mostra “Misurare il tempo” al Palazzo della Borsa
2
Il tempo onnipresente
Movimento
Irreversibilità
Relatività
Società
«Se nessuno mi pone
la domanda, lo so; se
qualcuno pone la
domanda e voglio
spiegarlo, non so
più.»
Economia
Fisica
TEMPO
Filosofia
Arte &
letteratura
«Cosa è il tempo»
Biologia
Medicina
"vassene 'l tempo e l'uom non se n'avvede"
dalla "Divina commedia" di Dante
3
La misura del tempo
Concetti per misurare il tempo
Gli orologi atomici
La diffusione dell’ora
Alcune applicazioni
4
La misura del tempo
Concetti per misurare il tempo
Gli orologi atomici
La diffusione dell’ora
Alcune applicazioni
5
Misurare il tempo attraverso un fenomeno «lineare»
Scorrimento:
Combustione:
clessidre
candele
Lampada a olio
6
Misurare il tempo attraverso la rotazione della Terra
Meridiane
Mesura del tempo = Conoscenza
dell’angolo di rotazione della Terra
rispetto a delle stelle «fisse»
7
7
Misurare il tempo attraverso la rotazione della Terra
Definizione del secondo attraverso
la rotazione della Terra:
Fino al 1956,
il secondo era la frazione 1/86 400
del giorno solare medio
(il tempo universale TU)
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Irregolarità della rotazione della Terra
Secondi
intercalari
la Terra non ha una rotazione regolare
(dissipazione delle maree, effetti atmosferici,
idrologici, …)
Deriva del secondo definito a partire dalla
rotazione della Terra
9
9
Gli oscillatori
Oscillatore = Sistema una cui caratteristica si ripete
periodicamente
10
Segnale di un oscillatore
T : periodo
f = 1/T : frequenza
T
Segnale
fisico
t
angolo
deformazione
tensione
campo elettromagnetico
11
Misurare una lunghezza attraverso un righello
Si conta il numero di graduazioni
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Misurare il tempo attraverso un oscillatore
Si misura una durata contando il numero di periodi d’oscillazione
T
Segnale
fisico
t
Conteggio
6
5
4
3
2
1
t
13
Misurare una lunghezza attraverso un righello
Importanza della graduazione
14
Importanza della frequenza dell’oscillazione
t
Importanza di avere
una grande frequenza
t
Oscillazioni
al secondo
1
103
106
109
Oscillatore al quarzo di un
orologio da polso
Pendolo
meccanico
1012
1015
Oscillatore laser di un
orologio ottico
Oscillatore
di un
orologio al
cesio
15
Quale affidabilità della misura?
Importanza dell’affidabilità (stabilità, esattezza) nelle graduazioni
L
L ≠ L’
L’
La qualità della misura di una lunghezza dipende dalla
qualità della graduazione della riga!
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Quale affidabilità della misura?
tempo
∆t
∆t ≠ ∆t’
tempo
∆t’
La qualità della misura di una durata dipende dalla qualità
della frequenza («graduazione temporale»)
17
Difetti degli oscillatori
PROBLEMA:
La frequenza di un oscillatore dipende dalla
sua forma, dalle sue dimensioni, dall’ambiente,
dall’usura, …
Pendulo di 1 m di lunghezza :
- Errore di 5 mm nella lunghezza
- Funzionamento al polo e all’equator
Errore di 1 giorno dopo 1 anno
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Difetti degli oscillatori
PROBLEMA:
La frequenza di un oscillatore dipende dalla
sua forma, dalle sue dimensioni, dall’ambiente,
dall’usura, …
SOLUZIONE:
Stabilizzare la frequenza dell’oscillatore su
un riferimento assoluto: l’ATOMO
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La misura del tempo
Concetti per misurare il tempo
Gli orologi atomici
La diffusione dell’ora
Alcune applicazioni
20
Quantificazione dei livelli di energia
Fisica classica
Energia
Fisica quantistica
Energia
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Quantificazione dei livelli di energia
Fisica quantistica
Energia
E2
E2-E1=h.f0
E1
f0: frequenza di
risonanza atomica
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Principio di funzionamento di un orologio atomico
correzione
OSCILLATORE
f
Frequenza f:
f:
Frequenza
Stabile
Instabile
RETROAZIONE
Esatta
Non
è esatta
RIFERIMENTO
ATOMICO
E2
f
f0
E1
f0
f
h f0 = E2 – E1
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La grande famiglia degli orologi atomici
Precisione
Orologi commerciali:
industria, laboratori, GPS, GALILEO, …
Orologi di laboratorio:
Metrologia e fisica
fondatementali
Horologi miniaturizzati:
Industria, recettori GPS/GALILEO
Volume
1 cm3
1 dm3
1 m3
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Gli orologi al cesio e la definizione del secondo
Dal 1967,
il secondo è definito come la durata di 9 192 631 770 periodi
della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli
iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio 133
(il tempo atomico TAI)
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Gli orologi ad atomi freddi di cesio
Atomi raffreddati dal laser: Temperatura ~ 1µK
Imprecisione:
* sulla frequenza:
∆f/f pari a 10-16
= conoscenza del valore della frequenza con
precisione a 16 cifre decimali!
* sul tempo:
errore di 0,000 000 000 01 secondi in un giorno
= deriva di 1 secondo in 300 milioni di anni!
Equivarrebbe a misurare la distanza TerraSole con una risoluzione inferiore allo spessore
di un capello
26
…oltre le fontane ad atomi freddi
Gli orologi ottici:
500 000 000 000 000 battiti al secondo (50 000 volte maggiore degli orologi al
cesio) !
Deriva di un secondo in 3 miliardi di anni
27
© A. Willaume/Observatoire de Paris
Precisione della misura del tempo
Età dell’universo
Orologio ottico
1 miliardo di anni
Orologio a cesio
raffreddato dal laser
1 milione di anni
Orologio
commerciale
1000 anni
Orolgio di
Harrison
1 anno
Oscillatore
al quarzo
Pendolo di
Huygens
Primo orologio
atomico
Orologio
di Shortt
1 giorno
1 ora
Errore di
1 secondo
alla fine di
Era astronomica, meccanica e elettrica
1600
1700
1800
1900
Era atomica
2000
28
28
Progressi scientifici, tecnologici e teorici
• Meridiane
• Clessidre (acqua, sabbia)
antichità
• Combustione (candela, livello dell’olio)
• Orologio meccanico
Medioevo
Principio di relatività
di Galileo
il tempo
rimane assoluto
(Newton)
• Orologio al quarzo
Piezoelettricità
XX secolo
• Orologi atomici
Principio di relativité
del tempo (Einstein)
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La misura del tempo
Concetti per misurare il tempo
Gli orologi atomici
La diffusione dell’ora
Alcune applicazioni
30
Costruzione di scale del tempo
In Francia:
1891 : Unificazione dell’ora – Meridiano di Parigi
1911 : Meridiano di Greenwich (GMT)
1978 : Tempo atomico UTC
1911 :
31
Scale del tempo atomiche internazionali
32
Diffusione dell’ora attraverso l’orologio parlante
Precisione nella
sincronizzazione ~ 50 ms
1933
33
Diffusione dell’ora per onde radio
Precisione nella
sincronizzazione ~ 10 ms
Allouis
(Francia)
34
Diffusione dell’ora via satelliti & internet
Internet
Precisione nella
Sincronizzazione:
Satelliti (GPS, telecom)
~ 1 ms
~ 1 ns
1 ns = 0,000 001 ms
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La misura del tempo
Concetti per misurare il tempo
Gli orologi atomici
La diffusione dell’ora
Alcune applicazioni
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Applicazioni: sincronizzazione e datazione
- Datazione / sincronizzazione: trasporti, transazioni bancarie, reti di
telecomunicazione, distribuzione di energia, …
- Interferometria a lunghissima base (VLBI)
- Navigazione delle sonde del sistema solare
- Datazione delle pulsars
37
Mesurare una distanza mesurando un tempo
Misura di durata = mesura di distanza
d = c . ∆t
A
B
d
Per le onde elettromagnetiche e la luce:
c = 300 000 km/s
1 ns = 1 miliardesimo di secondo
30 cm
38
Esempi di mesure di distanze
Telemetria Laser-Luna o laser-satellite per l’orbitografia, misura della distanza
Terra-Luna, test di fisica fondamentale, orientazione della Terra, …
RADAR & LIDAR, ….
39
Misure spazio-tempo: posizionamento
Posizionamento via satellite (GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU, …)
- Numerose applicazioni: posizionamento, navigazione, atterraggio degli aerei,
geofisica, …
Hai bisogno del segnale di 4 satelliti:
il posizionamento nello spazio-tempo
4-dimensionale (x, y, z, t)
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La relatività del tempo – Relatività ristretta
costante
La velocità della luce è una costante
La relatività del tempo
un tempo diverso
d = c . ∆t
2 orologi identici in moto relativo misurano
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La relatività del tempo – Relatività ristretta
costante
La velocità della luce è una costante
La relatività del tempo
un tempo diverso
d = c . ∆t
2 orologi identici in moto relativo misurano
42
La relatività del tempo – Relatività generale
43
La relatività del tempo e il GPS
corretti
non
corretti
Effetti relativistici
Dopo 1 giorno, gli errori dovuti agli effetti relativistici ~ 40 µs
che corrisponde a 12 km di errore nel posizionamento!
44
Test delle leggi fondamentali della fisica
Test della teoria della relatività:
- La velocità della luce è costante / isotropa?
- Le costanti fondamentali sono «costanti» ?
- La relatività descrive correttamente gli effetti gravitazionali riguardanti il tempo?
Misure delle frequenze degli orologi in diversi riferimenti spaziotemporali: diverse posizioni e/o diversi istanti
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Orologi ultra-precisi nello spazio per testare la relatività di
Einstein
PHARAO : orologio ad atomi freddi sulla
Stazione Spaziale Internazionale nel 2016
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Progressi scientifici, tecnologici e teorici
1966
2012
Risonanza hertiziana & pompaggio ottico
A. Kastler
Nobel Prize 1966
Controllo e misura degli stati quantici
S. Haroche, D. Wineland
Nobel Prize 2012
1987
2005
Separated oscillatory fields method
N.F. Ramsey
Trappole a ioni
H.G. Dehmelt, W.Paul
Nobel Prize 1987
1997
Spettroscopia laser di precisione
e pettini di frequenza fs
J. Hall and T. Hänsch
Nobel Prize 2005
2001
Raffreddamento e imprigionamento laser
S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips
Nobel Prize 1997
Condensazione di Bose-Einstein
E. Cornell, C. Wieman, W. Ketterle
Nobel Prize 2001
50 nK
200 nK 47
400 nK
© Michal Batory
Grazie
Grazie per
per l’attenzione
l’attenzione
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