Quanto pesi in pochi secondi?

Che tu ci creda o no, invece di un chilogrammo di mele o pere, puoi chiedere di venderti la giusta quantità in pochi secondi.

La civiltà moderna sarebbe impossibile senza misurazioni e le misurazioni non avrebbero senso se le stesse unità di misura non fossero utilizzate in tutto il mondo. Per molti anni (quasi 150), i metrologi di tutto il mondo hanno concordato definizioni rigorose di unità di misura attraverso il Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), con sede in Francia, vicino a Parigi. Il BIPM attualmente governa sette unità di base che governano il tempo, la lunghezza, la massa, la corrente elettrica, la temperatura, l'intensità della luce e la quantità di materia. Insieme, queste unità non sono altro che il linguaggio della scienza, della tecnologia e del commercio moderne.

Ma gli scienziati perfezionano costantemente questi standard generalmente accettati. Nel 2018 sono state approvate nuove definizioni di chilogrammo (massa), ampere (corrente), kelvin (temperatura) e mole (quantità di sostanza). Sembra fantastico, ma ora, ad eccezione della talpa, tutti gli standard sono soggetti a una cosa: il tempo. Un metro, ad esempio, è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299 di secondo. Allo stesso modo, ora la definizione di chilogrammo si basa su un secondo e capire come farlo non è poi così difficile.

Ciò significa che teoricamente, anche se non sarà chiaro a tutti, è possibile determinare il peso o la lunghezza in pochi secondi.

La scienza non si ferma, ora hanno deciso di prendersi un secondo e dargli una nuova definizione, tuttavia, riconoscendo che l'intera architettura delle misurazioni globali dipende da questo valore, promettono di non cambiarne la durata. Incuriosito? Quindi tuffiamoci nella storia del problema.

Una volta le persone determinavano l'ora guardando il cielo. Ma dal 1967, i metrologi hanno deciso di determinare il tempo misurando i processi all'interno dell'atomo, contando, magnificamente parlando, l'eterno battito cardiaco dell'Universo. Ma il tempo è ancora strettamente correlato ai principi della sua misurazione astronomica. Inizialmente, il tempo era determinato dal percorso della Terra nella sua rotazione quotidiana, dal giorno alla notte e viceversa. Ad un certo punto, gli antichi astronomi egizi, usando un sistema di numerazione duodecimale (basato su 12), dividevano il giorno e la notte in 12 ore ciascuno, dando 24 ore al giorno.

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Ma le ore differivano in durata a seconda di dove si trovava la Terra nella sua orbita attorno al Sole. Poco più di 2000 anni fa, gli astronomi greci che avevano bisogno di valori fissi per calcolare, ad esempio, il moto della luna, ebbero l'idea rivoluzionaria che un giorno dovesse essere diviso in 24 ore di uguale durata. Lo stesso pensiero "astronomico" li portò ad applicare agli orologi l'antico metodo babilonese di contare fino a 60 (sessagesimale). Proprio come hanno diviso i 360 gradi del cerchio o sfera della Terra in 60 parti o minuti, hanno diviso ogni minuto in 60 secondi.

La prima divisione del giorno (conosciuta in latino come partes minutae primae) dava loro la lunghezza di un minuto, che era 1/1440 di un giorno solare medio. La seconda divisione (partes minutae secundae) dava loro la durata - e allo stesso tempo il nome - di un secondo, che era 1/86 di giorno. In effetti, questa definizione durò fino al 400.

Ma i problemi non sono scomparsi. La terra rallenta gradualmente la sua rotazione quotidiana; le giornate si allungano un po', e così anche il secondo astronomico. Queste piccole differenze si sommano. Scrivono che, sulla base dell'estrapolazione di eclissi storiche e di altre osservazioni, la Terra come strumento per determinare il tempo (come un orologio!) ha perso più di tre ore negli ultimi 2000 anni - non un brutto risultato per un cronometro da polso , ma non adatto ad un approccio scientifico.

Si scopre che l'unità di tempo standard basata sul calcolo astronomico non è costante, e questa realtà è diventata sempre più insopportabile per i metrologi nei primi decenni del secolo scorso, quando hanno scoperto quanto fosse irregolare la rotazione della Terra. E la scienza richiede costanza e affidabilità. Come il tempo, alla fine degli anni '1960, la società era sempre più dipendente dalle radiofrequenze, che richiedevano una sincronizzazione estremamente precisa.

Nell'era dell'atomo, i metrologi si sono rivolti all'atomo, o meglio, al movimento molto più prevedibile delle particelle atomiche. Gli atomi non si consumano né rallentano mai. Le loro proprietà non cambiano nel tempo. Orologio perfetto. Incontra Cesio-133.

Il cesio, un metallo argenteo-oro liquido a temperatura ambiente, ha atomi pesanti e lenti, il che significa che sono relativamente facili da tracciare. Gli scienziati hanno posizionato gli atomi di cesio nel vuoto e li hanno esposti all'energia delle microonde in un campo elettromagnetico invisibile. La sfida era capire quale lunghezza d'onda o frequenza avrebbe fatto sì che quanti più atomi di cesio possibile emettessero un pacchetto di luce o un fotone. I fotoni sono stati catturati da un rivelatore e contati. Di conseguenza, la lunghezza d'onda è stata designata come frequenza di risonanza naturale dell'atomo.

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Per semplicità, immagina un pendolo. Un pendolo che lavora con un ritmo unico per questo tipo di atomo. Nel caso del cesio-133, la frequenza è di 9 cicli al secondo. La durata del secondo utilizzato nell'esperimento si basava sulla lunghezza della giornata nel 192, quando furono effettuati gli esperimenti scientifici originali. Nel 631, i metrologi del Bureau of Weights and Measures avevano stabilito la frequenza di risonanza del cesio-77 come durata ufficiale del secondo.

Nonostante questa definizione basata sul cesio, il tempo astronomico e il tempo atomico sono ancora indissolubilmente legati. In primo luogo, il tempo atomico a volte deve essere corretto in modo che corrisponda al tempo astronomico perché la Terra continua a cambiare il suo ritmo a una velocità irregolare mentre il tempo atomico rimane costante. Quando il tempo atomico diventa quasi un secondo più veloce del tempo astronomico, i cronometristi lo fermano per un momento, consentendo alla Terra di recuperare il ritardo: aggiungono un secondo in più all'anno.

Pertanto, sebbene la durata di un secondo non cambi, la durata di un minuto cambia di volta in volta. Dopo aver inizialmente aggiunto 10 secondi intercalari nel 1972, i cronometristi ora aggiungono un secondo intercalare al tempo atomico all'incirca ogni anno e mezzo.

Inoltre, per quanto strano possa sembrare, contiamo ancora i secondi dell'era del 1957, anche con i nostri moderni orologi atomici. Questo perché la frequenza autorisonante del cesio-133 è stata misurata nel 1957 e legata alla durata del secondo astronomico in quell'anno, fatto che non cambierebbe anche se il valore del secondo fosse ridefinito ancora una volta.

Ma se sì, perché la seconda è una nuova definizione? È tutta colpa di un'altra invenzione scientifica: un orologio atomico ottico. Funzionano secondo gli stessi principi di un orologio al cesio, ma misurano atomi che hanno una frequenza di risonanza naturale molto più alta (condizionatamente, ticchettio). Queste frequenze sono nella gamma visibile o ottica dello spettro elettromagnetico e non nella gamma delle microonde, da cui il nome.

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Esistono diversi tipi di orologi ottici, ognuno dei quali conta i "ticchetti" di un singolo atomo o ione: itterbio, stronzio, mercurio, alluminio e altri.

Perché, ci si chiede, abbiamo bisogno di una precisione ancora maggiore? In parte perché il tempo non è se stesso; è correlato alla gravità e alla massa e ne è influenzato. Anche il tempo (fanfara!) non è costante, sebbene si possa fare un'ipotesi del genere, conoscendo l'esistenza di uno standard internazionale. La teoria della relatività di Albert Einstein, ad esempio, suggerisce che il tempo si muova più lentamente quando è vicino a un corpo massiccio, come un pianeta, perché rallenta a causa della gravità.

Ciò significa che se l'orologio ottico cambia, anche se di poco, possono cambiare anche le condizioni fisiche in cui si trova l'orologio. Si dice che la capacità di leggere questi cambiamenti ci consenta di rilevare oggetti come la materia oscura o le onde gravitazionali utilizzando orologi atomici ottici. Orribile, vero? Continuare a leggere.

Nel 2015, i fisici americani stavano appena iniziando a sviluppare i loro orologi atomici ottici ed erano perplessi dal fatto che i secondi fossero contati in modo leggermente diverso negli orologi che si trovavano in laboratori situati a indirizzi diversi. Relatività in azione? Gli orologi ottici possono rispondere a piccoli cambiamenti di gravità? Ordinarono le misurazioni della differenza di altezza tra i laboratori in cui si trovava l'orologio, perché, come il tempo, l'altezza è correlata alla gravità e alla massa. Gli orologi erano davvero a diverse altezze. Le loro misurazioni del tempo leggermente diverse hanno rilevato sottili cambiamenti nel campo gravitazionale. L'orologio ottico, che era solo un centimetro più alto degli altri, correva più veloce!

La previsione di Einstein su cosa fanno la massa e la gravità nel tempo non è poi così incredibile. Resta da imparare come usarlo nella pratica.

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armonissimo
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