DARPA: I nuovi orologi atomici | Come sincronizzare il tempo e misurare la gravità della Terra

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Credit: Darpa

La DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), l’agenzia governativa del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, ha annunciato la creazione di un nuovo programma, chiamato “ROCkN (Robust Optical Clock Network)”. L’obiettivo è realizzare degli orologi atomici ottici in grado di mantenere, o meglio, migliorare, una elevata sincronizzazione del tempo, qualora venisse distrutta la costellazione di satelliti GPS, durante una ipotetica guerra.

E non solo: questi orologi servirebbero anche per la “Geodesia relativistica”, nonché l’idea di utilizzare una rete di orologi come sensori di gravità, per effettuare misurazioni in 3D della forma della Terra, e per rilevare lo spostamento gravitazionale.

SINCRONIZZARE IL TEMPO NELLA GUERRA MODERNA

Durante un conflitto è estremamente importante la sincronizzazione del tempo fra i vari reparti: Marina, Esercito e Aeronautica. La maggior parte della tecnologia di oggi, compresi i missili, gli aerei, le navi ecc…, fanno riferimento agli orologi atomici presenti nei satelliti GPS (anche noi, nella vita quotidiana, utilizziamo il GPS per trovare un indirizzo); quindi, nel caso in cui un paese nemico distruggesse la costellazione dei satelliti GPS, una grande potenza come gli Stati Uniti, si troverebbe “al buio”.

Ricordiamoci che proprio qualche settimana fa, la Russia ha distrutto un proprio satellite in orbita terrestre, tramite un missile, per dimostrare al mondo la sua capacità (in quella occasione ha rischiato di distruggere anche la Stazione Spaziale Internazionale, con a bordo astronauti americani, europei, giapponesi e russi; fortunatamente la Stazione Spaziale ha tempestivamente cambiato rotta, schivando i detriti del satellite russo distrutto).

Per questo motivo la DARPA, con il suo programma “ROCkN”, intende creare un sistema di sincronizzazione del tempo autonomo, che non dipenda dai satelliti GPS. Lo scopo è creare orologi atomici ottici con dimensioni, peso e potenza ridotti e, al contempo, molto più precisi, circa 100 volte di più, degli attuali orologi atomici del GPS.

L’orologio atomico a reticolo di stronzio del JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics). Credit: Marti/JILA

Alcuni di questi nuovi orologi, con una precisione al trilionesimo di secondo, saranno installati sugli aerei da combattimento, e dovranno resistere agli sbalzi di temperatura, alle accelerazioni e alle vibrazioni. Altri orologi andranno sulle navi da guerra e nelle tende da campo dell’esercito.

L’orologio atomico ottico allo stronzio è il più preciso al mondo; basti pensare che non riuscirebbe a perdere, o a guadagnare, un solo secondo neanche dopo 15 miliardi di anni (in pratica, l’età dell’Universo).

GEODESIA RELATIVISTICA (COME MISURARE LA GRAVITA’ CON UN OROLOGIO)

L’orologio atomico ottico ha anche altre potenziali applicazioni, come ad esempio la misurazione dei cambiamenti di gravità, oppure l’osservazione della forma della Terra.

Ma come ci riesce?

Il grande fisico Albert Einstein, con le sue teorie sulla Relatività (Ristretta e Generale), ci ha insegnato che il tempo rallenta alle altissime velocità, oppure quando ci si trova nelle vicinanze di un campo gravitazionale.

In altre parole, una persona seduta in un ristorante al piano terra, vivrebbe ad esempio una frazione di secondo in più, rispetto ad una persona seduta all’ultimo piano di un grattacielo. Tutto questo perché la persona al ristorante si troverebbe “più vicina” al nucleo della Terra, quindi subirebbe un’attrazione gravitazionale maggiore, con il conseguente rallentamento del tempo. La persona situata invece all’ultimo piano del grattacielo, si troverebbe “più lontana” dal nucleo della Terra, quindi meno attratta dalla gravità, e perciò il suo tempo scorrerebbe più velocemente (naturalmente si parla di millesimi di secondo).

Per aumentare questi effetti, e renderli visibili ai nostri occhi, dovremmo viaggiare ad una velocità altissima, quasi alla velocità della luce; oppure risiedere vicino ad un’attrazione gravitazionale altissima, come ad esempio nelle vicinanze di un buco nero. In questi casi gli effetti relativistici sarebbero ben visibili: il nostro tempo, anziché rallentare di una frazione di secondo, rallenterebbe di decine di anni. In pratica, se provassimo questi effetti, potremmo ad esempio vedere un nostro figlio all’età di 90 anni, mentre noi genitori rimarremmo dei 30enni.

Gli orologi atomici ottici come fanno a misurare i cambiamenti di gravità?

Se posizionassimo un orologio atomico ottico in quel ristorante al piano terra (riprendendo l’esempio fatto poc’anzi), e poi un altro orologio all’ultimo piano di un grattacielo, riusciremmo a vedere dei millesimi di secondo di cambiamenti. Ecco perché è utile un orologio estremamente preciso.

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L’orologio del ristorante, trovandosi “più vicino” al nucleo della Terra, sarebbe più attratto dalla gravità, e quindi il tempo rallenterebbe. L’orologio del grattacielo sarebbe “più lontano”, e quindi il suo tempo scorrerebbe più velocemente.

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E così grazie ad un orologio riusciremmo a capire l’attrazione gravitazionale terrestre, nonché la sua “forma” attorno alla Terra. Basterà, quindi, sollevare l’orologio di 2 cm, poi di 10 cm, poi di 1 metro, poi di 10 metri e così via, per analizzare, centimetro dopo centimetro, come cambia la gravità sul nostro pianeta.

Articolo a cura di Fabio Meneghella