l'orologio che sfiderà Einstein

La teoria della relatività generale di Albert Einstein predice che la gravità e la velocità influenzano il tempo, più veloce si viaggia e più il tempo rallenta, ma dive anche che maggiore è la gravità cui si è sottoposti, più il tempo rallenta.

Il 29 maggio 1919 la teoria di Einstein fu messa alla prova quando Arthur Eddington osservò la luce “piegarsi” attorno al Sole durante un’eclissi solare. Quarant’anni dopo, l’esperimento Pound-Rebka misurò per la prima volta l’effetto redshift indotto dalla gravità in un laboratorio, ma un secolo dopo gli scienziati stanno ancora cercando i limiti della teoria.

La teoria della relatività descrive il nostro Universo su larga scala, ma al confine con la scala infinitesimamente piccolo la teoria sembra non funzionare e appare incoerente con la meccanica quantistica“, spiega Luigi Cacciapuoti, scienziato del progetto dell’ESA Atomic Clock Ensemble in Space (ACES). “I tentativi odierni di unificare la relatività generale e la meccanica quantistica sembrano portare a violazioni del principio di equivalenza di Einstein“.

Il principio di di equivalenza di Einstein spiega come la gravità interferisce con il tempo e lo spazio. Una delle sue manifestazioni più interessanti è la dilatazione del tempo dovuta alla gravità. Questo effetto è stato dimostrato confrontando gli orologi a diverse altitudini come sulle montagne, nelle valli e nello spazio. Gli orologi a più alta quota mostrano che il tempo passa più velocemente rispetto a un orologio sulla superficie terrestre, poiché più ci si allontana dalla superficie del pianeta e minore è la gravità cui si è sottoposti.

Orologi, gravità e limiti della relatività
Foto al negativo dell’eclissi solare del 1919. Credito: Royal Astronomical Society

Volando nello spazio a 400 km di altitudine, sulla Stazione Spaziale, l’Atomic Clock Ensemble effettuerà misurazioni più precise che mai.

Internet degli orologi

ACES creerà una “internet of clocks, collegando i più accurati orologi atomici di tutto il mondo e confrontando il loro cronometraggio con quelli sulla ISS.

Orologi, gravità e limiti della relatività
ACES. Credito: CNES

Per confrontare differenze dell’ordine di centinaia di femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo, sono necessarie tecniche che superano i limiti della tecnologia attuale. ACES comunica con gli orologi in due modi: un collegamento a microonde e un collegamento ottico. Entrambe le connessioni scambiano segnali di temporizzazione a due vie tra le stazioni di terra e il terminale spaziale, quando il segnale di temporizzazione sale verso la Stazione Spaziale e quando ritorna verso la Terra.

L’accuratezza senza precedenti offerta da questo sistema porta alcuni bei bonus all’esperimento ACES. Gli orologi a terra saranno confrontati tra loro fornendo misure locali delle differenze geopotenziali, aiutando gli scienziati a studiare il nostro pianeta e la sua gravità.

Le frequenze dei collegamenti laser e microonde aiuteranno a capire come la luce e le onde radio si propagano attraverso la troposfera e la ionosfera fornendo informazioni sul clima. Infine, l’internet degli orologi consentirà agli scienziati di distribuire il tempo e sincronizzare gli orologi in tutto il mondo per esperimenti su larga scala che richiedono tempi precisi.

Orologi, gravità e limiti della relatività
Modulo Columbus con ACES. Credito: ESA-D. Ducros

La prossima generazione di orologi atomici e le tecniche di collegamento che stiamo sviluppando potrebbero essere utilizzate un giorno per osservare le onde gravitazionali come la missione LISA proposta dall’ESA,” aggiunge Luigi Cacciapuoti, “ma in questo momento ACES ci aiuterà a testare come meglio possiamo la teoria della relatività generale di Einstein, alla ricerca di piccole violazioni che, se trovate, potrebbero aprire una finestra su una nuova teoria della fisica che verrà. “

L’ACES sarà pronto per il lancio verso la ISS entro il 2020.


Fonti: Phys.org e Agenzia spaziale europea