L'energia negativa risolve il puzzle dell'orologio atomico
Una grave contraddizione tra teoria ed esperimento ha finora impedito agli orologi atomici di diventare più precisi. Ora si scopre che ciò che mancava era l'energia negativa.
Gli orologi più precisi del mondo sono ora ancora più precisi. Due gruppi di ricerca indipendenti sono riusciti a calcolare con precisione un minuscolo fattore di interferenza nell'interazione di un atomo di stronzio con la luce, che in precedenza aveva portato a una contraddizione tra teoria ed esperimento nella misurazione del tempo. Due proprietà fisiche dell'atomo, le polarità del momento di quadrupolo elettrico (E2) e del momento di dipolo magnetico (M1), portano a un piccolo spostamento degli stati energetici quando interagiscono con la luce laser dell'orologio atomico. Finora, tuttavia, le misurazioni hanno dimostrato che questo spostamento si discosta dal valore teoricamente previsto.
I team guidati da Sergey G. Porsev dell'Università del Delaware e Fang-Fei Wu dell'Istituto di Fisica e Matematica di Wuhan sono ora giunti alla conclusione che gli stati quantici elettronici con energia negativa risolvono completamente questa contraddizione. Ciò significa che gli orologi atomici basati sullo stronzio possono ora raggiungere precisioni superiori a quelle di 1 : 10¹⁸ ottenibili in precedenza. Questi orologi potrebbero quindi essere sufficientemente precisi per applicazioni prima irraggiungibili, come le misurazioni delle onde gravitazionali con le costellazioni satellitari.
Gli orologi atomici di stronzio ad alta precisione si basano su una specifica transizione energetica a una lunghezza d'onda di 698 nanometri in questo atomo. Per utilizzare la sua frequenza per misurare con precisione il tempo, gli atomi vengono tenuti in un'onda stazionaria di luce laser, la cui lunghezza d'onda viene impostata in modo da spostare il meno possibile la frequenza della transizione. Tuttavia, non è possibile evitare una certa interazione con la luce laser, che dipende dalle polarità del momento di quadrupolo elettrico e del momento di dipolo magnetico dell'atomo di stronzio. I tentativi di calcolare queste due quantità hanno finora portato a contraddizioni con i dati di misurazione: Secondo i calcoli, E2 è più grande, secondo le misurazioni M1.
I team guidati da Porsev e Wu hanno ora effettuato nuovamente questi calcoli. Hanno preso in considerazione anche gli stati quantistici con energia negativa, che si verificano come soluzioni alle equazioni quantomeccaniche per gli elettroni dell'atomo. Questi vengono generalmente omessi perché le particelle reali hanno energie positive. Nei calcoli di E2 e M1, invece, viene utilizzato un metodo matematico che somma tutti i possibili stati delle particelle coinvolte per ottenere la polarizzazione del sistema complessivo. E, come si è scoperto, tutti significa proprio tutti. Anche quelli con energia negativa.
Il fatto che gli stati quantistici di energia negativa non possano essere trascurati in queste procedure teoriche era già stato dimostrato nel calcolo di altre proprietà quantistiche. Come hanno scoperto gli esperti, anche negli orologi atomici fa una notevole differenza se questi stati vengono inclusi nella somma totale - ma non per entrambe le variabili considerate. Mentre gli stati con energia negativa non giocano quasi nessun ruolo in E2, danno il contributo più importante in M1. Questa correzione significa che M1 è ora più grande di E2 e quindi i calcoli teorici non sono più in contraddizione con le proprietà misurate dell'atomo di stronzio. Ciò significa che ora è possibile calcolare con maggiore precisione l'interazione tra la luce e l'atomo e quindi anche l'esatta frequenza utilizzata per misurare il tempo.
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© liulolo / Getty Images / iStock (dettaglio) Nei processi degli orologi atomici bisogna tenere conto anche delle particelle con energia negativa.
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