Misurare il tempo

Da migliaia di anni l’uomo si ingegna per tenere traccia dello scorrere del tempo. Dai Sumeri agli Egizi, dall’antica Cina al Giappone, l’umanità ha adoperato innumerevoli strumenti per calcolare il passaggio delle stagioni, l’articolazione della giornata, la stessa singola esistenza di ogni essere umano.

Il primo orologio conosciuto a scappamento alimentato ad acqua, che trasferiva energia rotazionale a un meccanismo di movimento intermittente, risale al III secolo a.C. nell’antica Grecia. Mentre il primo orologio meccanico che sfruttava un sistema a scappamento a verga con bilanciere, venne inventato in Europa agli inizi del XIV secolo, e costituì lo standard nella misurazione del tempo fino all’invenzione dell’orologio a pendolo nel 1656.

Con il passare dei secoli la precisione di ogni misurazione è aumentata esponenzialmente fino ad arrivare agli orologi atomici che sono di gran lunga gli strumenti più accurati per la misurazione del tempo, e sono quindi utilizzati per calibrare gli altri orologi e per determinare il tempo atomico internazionale (TAI). Anche il tempo coordinato universale (UTC), il fuso orario standard di riferimento, è basato sulla misura del tempo tramite orologi atomici.

D’altra parte per misurare determinati processi fisici occorre una precisione inconcepibile per il senso comune di un qualsiasi individuo. Per verificare le predizioni della teoria della relatività ristretta e di quella generale, un celeberrimo esperimento, effettuato nel 1971 da da Joseph C. Hafele e Richard E. Keating, misurò gli scostamenti tra le predizioni teoriche di Einstein e le misurazioni effettuate tramite orologi atomici. Si registrarono scostamenti infinitesimali dell’ordine di qualche decina di nanosecondi.

Un nanosecondo è un’unità di tempo pari ad un miliardesimo di secondo. È formata usando il prefisso standard nano-, che significa 10^-9. Ma qual’è la misurazione più piccola effettuata dall’uomo?

Un gruppo di ricerca dell’università Goethe di Francoforte ha stabilito un nuovo record misurando la propagazione della luce all’interno di una molecola di idrogeno.

Ebbene questa propagazione avviene nell’ordine di uno zeptosecondo, vale a dire in un trilionesimo di miliardesimo di secondo. Si tratta dell’intervallo di tempo più breve misurato in un processo fisico. I ricercatori tedeschi hanno irradiato una molecola di idrogeno, composta da due atomi, con un fascio di raggi X con un’energia sufficiente a provocare l’espulsione degli elettroni dai due atomi.

Studiando la figura di interferenza prodotta dai due elettroni, che ricordiamo si comportano sia come particelle che come onda, gli scienziati hanno calcolato con incredibile precisione quando i fotoni X hanno raggiunto i due atomi, misurando un intervallo di tempo medio tra i due momenti pari a circa 247 zeptosecondi.

La ricerca pubblicata su “Science” apre la strada ad applicazioni anche su sistemi più complessi con prevedibili ulteriori sviluppi, non soltanto nella capacità della scienza di misurare frazioni infinitesimali di tempo ma anche nell’esplorazione di processi fisici ancora da comprendere appieno.