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Strumento per misurare la massa attraverso l'onda di materia

  Autore: n/a

  venerdì 11 gennaio 2013 ore: 00:00:00 - letto [ 2765 ]

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L'unità di misura della massa potrebbe venire ricondotta a quella del tempo grazie a un nuovo orologio che è in grado di misurare la frequenza della cosiddetta onda di materia che può essere associata a ogni particella o atomo in virtù dell'equivalenza stabilita da Einstein fra massa ed energia. Finora questa possibilità era stata preclusa dall'impossibilità di osservare oscillazioni 10 miliardi di volte superiori a quelle della luce visibile.

Un nuovo orologio atomico permette di stabilire una relazione così stretta fra la massa di un atomo e il tempo da poter portare non solo a una più precisa misurazione del tempo, ma addirittura a una nuova definizione del chilogrammo. Questo orologio e la proposta di una nuova definizione di chilogrammo sono frutto di una ricerca diretta da Holger Müller dell'Università della California a Berkeley, descritta in un articolo pubblicato su “Science” a prima firma Shau-Yu Lan.

Storicamente, la misurazione del tempo si è sempre basata sulle frequenze di oscillazione di sistemi di corpi, dal moto dei corpi celesti ai pendoli fino ai cristalli di quarzo, per approdare alle oscillazioni all'interno degli atomi utilizzate dagli attuali orologi atomici. Il nuovo orologio ora proposto fa invece riferimento direttamente alla massa di un singolo atomo.

Combinando la teoria della relatività di Einstein che ha stabilito l'equivalenza fra massa ed energia (E = mc^2) con l'idea di quanto di energia dovuta a Planck, nel 1824 Louis de Broglie ipotizzò che qualsiasi particella potesse essere vista alla stregua di un'onda di materia, ossia come un'entità dotata delle caratteristiche fisiche proprie di un'onda, fra le quali in primo luogo una frequenza (nota anche come frequenza Compton, e pari a (mc^2)/h, dove h è la costante di Planck). Questo modo di considerare la materia apriva in teoria la possibilità di sfruttare le onde di materia come temporizzatore di un orologio, ma la cosa era sempre apparsa del tutto irrealizzabile, dato che la frequenza di un'onda di materia, nell'ordine delle decine di miliardi di volte superiore a quella della luce visibile, appariva decisamente al di là di qualsiasi possibilità di osservazione concreta.

Un paio di anni fa, nel corso di uno studio che mirava alla verifica sperimentale del fenomeno di redshift gravitazionale previsto da Einstein, secondo cui all'interno di un campo gravitazionale il tempo rallenta, Müller si rese conto che era possibile combinare due tecniche ben sperimentate per aggirare l'ostacolo e creare un simile orologio. Il fatto che il tempo rallenti per gli oggetti in movimento è un fenomeno relativistico ben accertato, e quindi un atomo di cesio che si allontani molto velocemente e poi torni al punto di partenza sarà più “giovane” di un atomo rimasto fermo (proprio come i gemelli del famoso paradosso relativistico), ossia la sua onda di materia avrà oscillato un numero minore di volte e la sua frequenza sarà inferiore. Per un atomo di cesio questa differenza di frequenza è di sole 100.000 oscillazioni al secondo, ben inferiore alle 3 × 10^25 oscillazioni dell'onda di materia dell'atomo di cesio. E, come hanno dimostrato in questa ricerca Müller e colleghi, perfettamente misurabile con un interferometro.

"Il nostro orologio ha attualmente una precisione di 7 parti per miliardo", ha detto Müller. Ed “è buono all'incirca come il primo orologio atomico al cesio, di una sessantina di anni fa. Ma potremmo svilupparlo ulteriormente e forse un giorno definire il secondo in termini di oscillazioni della frequenza Compton per una certa particella."

Ma la proposta più significativa avanzata nell'articolo è un'altra: “L'orologio può essere utilizzato anche per lo scopo opposto, misurare la massa misurando la frequenza Compton”. In effetti, nel 2011, la Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure – da tempo alle prese con il problema di dare una definizione più precisa dell'unità di misura della massa, che ancora oggi fa riferimento a un cilindro di platino-iridio definito come peso di un chilogrammo e conservato presso l'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure di Parigi – ha proposto di assegnare un valore esatto alla costante di Planck h.

A questo punto il chilogrammo potrebbe essere definito facendo riferimento all'unità di tempo, il secondo, in funzione degli specifici valori della costante di Planck e della velocità della luce, permettendo la misurazione di masse microscopiche con l'accuratezza auspicata della Conferenza di quattro parti per miliardo, un valore competitivo rispetto ad altri metodi proposti e dieci volte più accurato di quello previsto dall'attuale Sistema Internazionale.



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fonte
http://www.lescienze.it/news/2013/0...

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Riferimento
http://www.sciencemag.org/content/e...








 

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