Stati quantistici di energia negativa influenzano il tempo
L'energia negativa ha risolto il rompicapo degli orologi atomici. Una contraddizione tra teoria ed esperimenti ha finora impedito agli orologi atomici di diventare più precisi. Per risolverla è stato necessario considerare il contributo di stati quantistici con energia negativa che riguardano gli elettroni degli atomi usati. Gli orologi più precisi del mondo sono ora ancora più precisi. Due gruppi di ricerca tra loro indipendenti sono riusciti a calcolare con precisione un minuscolo fattore di disturbo nell'interazione di un atomo di stronzio con la luce, che in precedenza aveva portato a una contraddizione tra teoria ed esperimenti nelle misurazioni del tempo. Due proprietà fisiche dell'atomo, le polarizzabilità del momento di quadrupolo elettrico (E2) e del momento di dipolo magnetico (M1), portano a un piccolo spostamento degli stati energetici nell'interazione con la luce laser nell'orologio atomico. Finora, tuttavia, le misurazioni hanno dimostrato che questo spostamento si discosta dal valore teorico previsto.
I gruppi guidati da Sergey G. Porsev dell'Università del Delaware, negli Stati Uniti, e Fang-Fei Wu dell'Istituto di fisica e matematica di Wuhan, in Cina, sono ora giunti alla conclusione che gli stati quantistici elettronici con energia negativa risolvono completamente questa contraddizione. Ciò significa che gli orologi atomici a base di stronzio possono ora raggiungere una precisione superiore a quella di una parte su 1018 ottenibile in precedenza. Questi orologi potrebbero quindi essere sufficientemente precisi per applicazioni finora irraggiungibili, come per esempio le misurazioni delle onde gravitazionali con le costellazioni satellitari. Gli orologi atomici a stronzio ad alta precisione si basano su una specifica transizione energetica a una lunghezza d'onda di 698 nanometri in questo atomo. Per sfruttare la sua frequenza per misurazioni precise di tempo, gli atomi vengono tenuti in un'onda stazionaria di luce laser, la cui lunghezza d'onda viene regolata 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 dalla polarizzabilità 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 delle misurazioni: secondo i calcoli, E2 è più grande; secondo le misurazioni, M1. I gruppi di Porsev e di Wu hanno ora eseguito nuovamente questi calcoli. Nel farlo, 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, si utilizza una procedura matematica che somma tutti i possibili stati delle particelle coinvolte per ottenere la polarizzabilità del sistema complessivo. E, come si scopre, tutti significa 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 per gli orologi atomici fa una notevole differenza se questi stati sono inclusi nella somma totale – ma non per entrambe le variabili considerate. Mentre gli stati con energia negativa non svolgono quasi alcun 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 contraddicono più fondamentalmente le proprietà misurate dell'atomo di stronzio. Ciò significa che l'interazione tra la luce e l'atomo può ora essere calcolata in modo molto più preciso – e quindi anche l'esatta frequenza utilizzata per misurare il tempo. (L'originale di questo articolo è stato pubblicato su "Spektrum der Wisseschaft".) Read the full article