La natura offre una gran quantità di oscillazioni naturali: la terra che ruota su sé stessa o intorno al sole, le onde del mare e il pendolo meccanico. Gli uomini hanno da sempre sentito il bisogno di misurare il tempo e il più semplice strumento utilizzato è stato la meridiana. Lo svantaggio principale della meridiana però era quello di non funzionare di notte e nelle giornate nuvolose. Così la ricerca progredì fino a quando, durante il medioevo, furono costruiti orologi meccanici.
Quest’ultimi sono diventati sempre più precisi nel corso dei secoli. I primi esemplari, come quello del castello di Dover del XIV secolo, sbagliavano di diversi minuti ogni giorno. In seguito nel XVI secolo si diffusero gli orologi a pendolo e la precisione divenne sufficiente per misurare i minuti oltre alle ore. Nel XX secolo la precisione di quelli a vibrazione di cristalli di quarzo, inventati dal fisico inglese Louis Essen, il quale fu anche il primo a dare una misurazione precisa della velocità della luce, permetteva di misurare le variazioni di velocità della rotazione della terra e negli anni ’80 gli orologi atomici al cesio sbagliavano di un secondo ogni 3000 anni!
Perché utilizzare gli atomi per la misurazione del tempo? Ovviamente per la loro precisione.
Gli atomi sono la più piccola particella della materia, hanno un nucleo centrale di carica positiva e all’esterno sono circondati da elettroni, di carica negativa. Quando si ha un’onda elettromagnetica che interagisce con un atomo, questo passa nello stato di eccitazione. Se ciò avviene ad una certa frequenza, cioè la transizione dell’atomo tra i diversi stati energetici, l’atomo oscilla.
La capacità di misurare le oscillazioni di questo “pendolo” naturale fa si che vengano trasformati in veri orologi di massima precisione, perché si ha appunto un’oscillazione periodica e stabile nel tempo che avviene sempre alla stessa frequenza: per avere una transizione atomica precisa si deve rispettare determinate caratteristiche. Una di queste è che devono essere perturbate dall’esterno il meno possibile, perché si ha la possibilità che ciò possa disturbare il movimento oscillatorio.
Il primo orologio atomico accurato fu costruito da Louis Essen nel 1995, basandosi sulle transizioni energetiche dell’atomo di cesio. I fasci di atomi di cesio infatti riemettono le radiazioni elettromagnetiche ricevute (questa capacità è chiamata fluorescenza) in corrispondenza della loro frequenza di risonanza naturale, ovvero la frequenza utilizzata per definire il secondo. Vengono poi unite le misurazioni di numerosi orologi al cesio in tutto il mondo per poi ottenere una media e definire un sistema di riferimento temporale di validità internazionale.
Oggi questi orologi atomici sono sempre più piccoli e possono arrivare a misurare anche 1Kg, vengono lanciati sui satelliti per permettere di determinare la propria posizione sulla terra, e sono quindi utilizzati per il GPS (sistema di posizionamento globale). Per assicurare la precisione i satelliti devono inviare impulsi radio con determinata periodicità, che servono ai dispositivi riceventi per determinare appunto la loro posizione.
Nei laboratori di tutto il mondo vengono continuamente iniziate ricerche relative a orologi che fanno uso di altri tipi di atomi e altri metodi allo scopo di aumentarne la precisione e diminuirne i costi.