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Orologi nucleari, potrebbero arrivare presto

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Gli orologi nucleari potrebbero essere i migliori mai sviluppati. Se i fisici potessero costruirli, questi sarebbero orologi di una tipologia del tutto nuova in quanto misurano il tempo basandosi sulla fisica nucleare. Alcuni scienziati ritengono che il primo di questi potrebbe debuttare in pochi anni.

Orologi più precisi rispetto a quelli atomici

Al centro di ogni atomo c’è un nucleo, dentro il quale si trovano protoni e neutroni. Gli orologi basati sui nuclei atomici potrebbero essere dieci volte più precisi rispetto a quelli esistenti al giorno d’oggi.
Avere orologi ancora più precisi permetterebbe di migliorare altre tecnologie come la navigazione GPS.
“Ma non è solo una questione di cronometraggio” secondo il fisico Peter Thirolf. Infatti, gli orologi nucleari potrebbero consentire nuovi test e idee fondamentali per la fisica.

Rappresentazione di un atomo. Jcymc90, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons.

Gli elettroni

Attualmente, gli orologi più precisi sono quelli atomici che però non si basano sul nucleo. Questi misurano il tempo usando i salti di energia degli elettroni.
Gli elettroni negli atomi possono trasportare solo determinate quantità di energia, in specifici livelli energetici. Gli atomi dell’orologio, per spostare gli elettroni da un livello di energia a un altro, devono essere colpiti con un laser. La potenza di quest’ultimo deve essere adeguata. La luce è costituita da onde elettromagnetiche. La frequenza è la velocità con cui passano quelle onde. Pertanto, solo la luce di una certa frequenza farà saltare gli elettroni. Quella frequenza ha la funzione di cronometro ad alta precisione.

Immagina per esempio di usare la velocità con cui le onde del mare si infrangono sulla spiaggia per tenere traccia del tempo. In questo caso però non misuriamo le onde del mare ma le onde luminose.

Protoni e neutroni nel nucleo

Anche i protoni e i neutroni all’interno del nucleo di un atomo occupano livelli di energia. Gli orologi nucleari farebbero affidamento sui salti di queste particelle invece che sul salto degli elettroni. Il nucleo di un atomo non è così influenzato da campi elettrici o da campi magnetici vaganti come lo sono gli elettroni dell’atomo. Pertanto, la fisica teorica Adriana Pálffy suggerisce che gli orologi nucleari sarebbero più stabili e più precisi.

Esiste però un problema: i laser tipici non possono accedere ai livelli di energia nucleare. Per la maggior parte dei nuclei, ciò richiederebbe una luce di energia maggiore a quella che i normali laser possono raggiungere.

Il ruolo cruciale del torio

Fortunatamente c’è una solo eccezione, il torio. Si tratta di un elemento chimico metallico. Esiste una varietà nota come torio-229 che possiede un paio di livelli di energia nucleare che sono vicini tra loro. Tali livelli sono talmente ravvicinati da permettere ad un laser di far innescare il salto.
Gli scienziati hanno recentemente individuato quanta energia ha bisogno un nucleo di torio-229 per fare il salto. Questo rappresenta un passo cruciale verso la costruzione di un orologio nucleare al torio. Un nucleo di torio-229 impiega circa 8 elettronvolt per superare i livelli di energia. Questa energia corrisponde al limite della potenza dei laser. Ciò suggerisce che i laser potrebbero davvero innescare un salto.

Come innescare il salto

Quindi i fisici mirano a innescare il salto con i laser.
Il fisico Chuankun Zhang ha effettuato dei tentativi utilizzando un pettine di frequenze.
Un pettine di frequenze è un laser con una certa serie di frequenze luminose.
Si spera che questa tecnologia permetta alla squadra di Zhang di eccitare il nucleo dell’atomo per il salto.
Inoltre il pettine potrebbe consentire al team di misurare meglio l’energia necessaria per il salto.
Zhang afferma che se l’esperimento dovesse rivelarsi un successo si potrebbe procedere con la costruzione di un orologio ottico basato sul nucleare.

Anche il gruppo di Thirolf sta lavorando con i pettini di frequenza.
Infatti, Il suo team mira a creare un orologio nucleare funzionante nei prossimi cinque anni.

Nel frattempo, Pálffy sta studiando l’utilizzo di quello che viene chiamato un “ponte elettronico”.
Questo metodo invece di utilizzare il laser per colpire il nucleo di un atomo, lo utilizzerà per eccitare prima gli elettroni dell’atomo. Gli elettroni eccitati trasferirebbero di conseguenza energia al nucleo.

I test degli orologi nucleari

Una foto del celebre Albert Einstein non può mai mancare. Fonte: wikiquote

Gli orologi nucleari potrebbero consentire ai ricercatori di ideare nuovi test per le costanti fondamentali della natura.
Una costante fondamentale come dice il termine stesso, è un numero che non cambia mai.
O almeno, pensiamo che non cambi mai. Test con orologi nucleari permetterebbero agli scienziati di capire se questi numeri sono effettivamente delle costanti o se variano nel tempo (N.d.A. tramite piccole oscillazioni).

Inoltre questa nuova tecnologia potrebbe anche testare un fondamento della teoria della gravitazione di Einstein: il principio di equivalenza.
Il principio afferma che due oggetti differenti nel vuoto dovrebbero cadere alla stessa velocità.

Questo nuovo tipo di orologio potrebbe anche aiutare nella ricerca della materia oscura.
La materia oscura è invisibile e fatta di particelle che gli scienziati devono ancora scoprire.
I fisici pensano che queste particelle rappresentino la maggior parte della materia dell’universo.
Se la materia oscura dovesse interagire con un orologio nucleare, l’interazione potrebbe modificare la misurazione dell’orologio.

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Gianmarco Virzì

Web designer, programmatore laureato presso la facoltà di Scienze Naturali dell’università di Bologna, ha attualmente molteplici passioni come: i viaggi, la storia, la cultura (apprezza particolarmente quella giapponese), le arti marziali, il fitness, la cucina, la musica (suona la batteria), la fotografia e l’informatica. Ama la natura e tutto ciò ad essa collegata e da questo nasce la sua linea di pensiero, che può essere riassunta con una citazione di S. Agostino: “il mondo è un libro e quelli che non viaggiano ne leggono solo una pagina” Il suo sogno è di intraprendere la carriera da divulgatore scientifico e di contribuire alla conservazione degli ecosistemi ed alla gestione del territorio.

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