La misura del tempo: Sfida all ultimo milliardesimo di secondo

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1 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

2 Mostra Misurare il tempo al Palazzo della Borsa 2

3 Il tempo onnipresente Movimento Irreversibilità Relatività «Se nessuno mi pone la domanda, lo so; se qualcuno pone la domanda e voglio spiegarlo, non so più.» «Cosa è il tempo» Fisica Filosofia Biologia Medicina Società TEMPO Economia Arte & letteratura "vassene 'l tempo e l'uom non se n'avvede" dalla "Divina commedia" di Dante 3

4 La misura del tempo Concetti per misurare il tempo Gli orologi atomici La diffusione dell ora Alcune applicazioni 4

5 La misura del tempo Concetti per misurare il tempo Gli orologi atomici La diffusione dell ora Alcune applicazioni 5

6 Misurare il tempo attraverso un fenomeno «lineare» Scorrimento: clessidre Combustione: candele Lampada a olio 6

7 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

8 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/ del giorno solare medio (il tempo universale TU) 8

9 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

10 Gli oscillatori Oscillatore = Sistema una cui caratteristica si ripete periodicamente 10

11 Segnale di un oscillatore Segnale fisico T T : periodo f = 1/T : frequenza t angolo deformazione tensione campo elettromagnetico 11

12 Misurare una lunghezza attraverso un righello Si conta il numero di graduazioni 12

13 Misurare il tempo attraverso un oscillatore Si misura una durata contando il numero di periodi d oscillazione Segnale fisico T t Conteggio t 13

14 Misurare una lunghezza attraverso un righello Importanza della graduazione 14

15 Importanza della frequenza dell oscillazione t Importanza di avere una grande frequenza t Oscillazioni al secondo Pendolo meccanico Oscillatore al quarzo di un orologio da polso Oscillatore di un orologio al cesio Oscillatore laser di un orologio ottico 15

16 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! 16

17 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

18 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 18

19 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 19

20 La misura del tempo Concetti per misurare il tempo Gli orologi atomici La diffusione dell ora Alcune applicazioni 20

21 Quantificazione dei livelli di energia Fisica classica Fisica quantistica Energia Energia 21

22 Quantificazione dei livelli di energia Fisica quantistica Energia E 2 E 2 -E 1 =h.f 0 E 1 f 0 : frequenza di risonanza atomica 22

23 Principio di funzionamento di un orologio atomico correzione OSCILLATORE f Frequenza f: f: Instabile Stabile RETROAZIONE Non Esatta è esatta RIFERIMENTO ATOMICO E 2 f f 0 E 1 f 0 f h f 0 = E 2 E 1 23

24 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 cm 3 1 dm 3 1 m 3 24

25 Gli orologi al cesio e la definizione del secondo Dal 1967, il secondo è definito come la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell atomo di cesio 133 (il tempo atomico TAI) 25

26 Gli orologi ad atomi freddi di cesio Atomi raffreddati dal laser: Temperatura ~ 1µK Imprecisione: * sulla frequenza: f/f pari a = conoscenza del valore della frequenza con precisione a 16 cifre decimali! * sul tempo: errore di 0, secondi in un giorno = deriva di 1 secondo in 300 milioni di anni! Equivarrebbe a misurare la distanza Terra- Sole con una risoluzione inferiore allo spessore di un capello 26

27 oltre le fontane ad atomi freddi Gli orologi ottici: battiti al secondo ( volte maggiore degli orologi al cesio)! Deriva di un secondo in 3 miliardi di anni 27 A. Willaume/Observatoire de Paris

28 Precisione della misura del tempo Età dell universo 1 miliardo di anni Orologio ottico Orologio a cesio raffreddato dal laser 1 milione di anni Orologio commerciale 1000 anni 1 anno Pendolo di Huygens Orolgio di Harrison Oscillatore al quarzo Orologio di Shortt Primo orologio atomico 1 giorno Errore di 1 secondo alla fine di 1 ora Era astronomica, meccanica e elettrica Era atomica

29 Progressi scientifici, tecnologici e teorici Meridiane Clessidre (acqua, sabbia) Combustione (candela, livello dell olio) antichità Orologio meccanico Orologio al quarzo Piezoelettricità Orologi atomici Medioevo XX secolo Principio di relatività di Galileo il tempo rimane assoluto (Newton) Principio di relativité del tempo (Einstein) 29

30 La misura del tempo Concetti per misurare il tempo Gli orologi atomici La diffusione dell ora Alcune applicazioni 30

31 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

32 Scale del tempo atomiche internazionali 32

33 Diffusione dell ora attraverso l orologio parlante Precisione nella sincronizzazione ~ 50 ms

34 Diffusione dell ora per onde radio Precisione nella sincronizzazione ~ 10 ms Allouis (Francia) 34

35 Diffusione dell ora via satelliti & internet Internet Satelliti (GPS, telecom) Precisione nella Sincronizzazione: ~ 1 ms 1 ns = 0, ms ~ 1 ns 35

36 La misura del tempo Concetti per misurare il tempo Gli orologi atomici La diffusione dell ora Alcune applicazioni 36

37 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

38 Mesurare una distanza mesurando un tempo Misura di durata = mesura di distanza A d = c. t B d Per le onde elettromagnetiche e la luce: c = km/s 1 ns = 1 miliardesimo di secondo 30 cm 38

39 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

40 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) 40

41 La relatività del tempo Relatività ristretta La velocità della luce è una costante d = c. t costante La relatività del tempo 2 orologi identici in moto relativo misurano un tempo diverso 41

42 La relatività del tempo Relatività ristretta La velocità della luce è una costante d = c. t costante La relatività del tempo 2 orologi identici in moto relativo misurano un tempo diverso 42

43 La relatività del tempo Relatività generale 43

44 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

45 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 45

46 Orologi ultra-precisi nello spazio per testare la relatività di Einstein PHARAO : orologio ad atomi freddi sulla Stazione Spaziale Internazionale nel

47 Progressi scientifici, tecnologici e teorici Risonanza hertiziana & pompaggio ottico A. Kastler Nobel Prize 1966 Controllo e misura degli stati quantici S. Haroche, D. Wineland Nobel Prize Separated oscillatory fields method N.F. Ramsey Trappole a ioni H.G. Dehmelt, W.Paul Nobel Prize 1987 Spettroscopia laser di precisione e pettini di frequenza fs J. Hall and T. Hänsch Nobel Prize Raffreddamento e imprigionamento laser S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips Nobel Prize Condensazione di Bose-Einstein E. Cornell, C. Wieman, W. Ketterle Nobel Prize nk 400 nk 200 nk 47

48 Michal Batory Grazie per l attenzione 48

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