L'orologio atomico cosa è e come funziona

Stabilire quale sia l’ora esatta, e soprattutto riuscire a calcolarla con una precisione assoluta potendo evitare eventuali errori fisici derivanti dai sistemi di misurazione, non è sempre stato possibile per evidenti ragioni tecnologiche.
Oggi il compito di calcolare il tempo standard sul nostro pianeta è affidato all’orologio atomico, uno strumento inventato nel 1949 e successivamente perfezionato, fino ad essere internazionalmente adottato grazie alla sua capacità di fornire dati con una precisione impressionante.

Di che cosa si tratta? Il principio di funzionamento dell’orologio atomico si basa su un evento che si ripete con una frequenza costante: nel caso specifico, al centro dell’idea ci sono gli atomi di un determinato elemento, poiché presentano caratteristiche identiche e costanti. Al loro interno, gli elettroni che girano attorno a un nucleo modificano la propria orbita secondo passaggi precisi direttamente legati all’energia che gli viene somministrata. Questo è il principio del cosiddetto salto quantico.

Gli elettroni rimangono nella propria orbita per un tempo infinitesimale, dell’ordine di 10-9 secondi. I salti quantici hanno una frequenza assolutamente stabile, detta frequenza di risonanza dell’atomo.
La definizione del secondo sulla base del tempo atomico fu stabilita nel 1967, quando gli scienziati annunciarono che il secondo corrispondeva a 9.192.631.770 cicli della transizione di struttura iperfine tra due livelli dell’atomo di cesio-133.

Nel caso degli orologi atomici odierni, l’elemento sfruttato è infatti il cesio, ottimo per lo scopo perché possiede una struttura atomica semplice.
Semplificando molto il principio di funzionamento dell’orologio atomico, si può dire che gli atomi di cesio-133 siano eccitati all’interno di questo strumento da microonde che hanno esattamente la frequenza necessaria (9.192.631.770 Hz) affinché gli elettroni siano indotti al salto quantico.
Un complesso sistema di magneti, sensori e fotocellule verifica le eventuali variazioni di frequenza e le autocorregge quando necessario. Un apposito contatore calcola quindi i cicli della frequenza originale e li comunica a un computer, che traduce la frequenza e la trasforma comunicando un risultato in termini numerici di tempo.

La precisione dell’orologio atomico basato sul cesio permette di perdere solo un secondo ogni 150 milioni di anni. Se ancora non bastasse, i progressi della scienza hanno comunque già portato alla sperimentazione di orologi atomici ancora più precisi che sfruttano le proprietà dello stronzio, il cui errore sarebbe di un solo secondo perso ogni 15 miliardi di anni.