Francia
Christophe Salomon
Premio Balzan 2025 per Atomi e misura ultraprecisa del tempo
Francia
Christophe Salomon
Premio Balzan 2025 per Atomi e misura ultraprecisa del tempo
Per aver dato un contributo pionieristico, aprendo la strada all'applicazione degli atomi ultra-freddi, alla realizzazione di orologi atomici che hanno rivoluzionato la misura del tempo.
Il tempo è una delle grandezze fondamentali della Natura e la sua definizione ha da sempre stimolato dibattiti scientifici e filosofici di massima rilevanza. Di primaria importanza per ogni attività umana, la misura del tempo si è basata per millenni sul succedersi ciclico di giorno e notte, che ha permesso lo sviluppo della “meridiana”, utile per l’attività prevalente che era quella agricola. Misure del tempo più precise sono state rese poi possibili dal conteggio di fenomeni periodici sempre più veloci, a partire dalle oscillazioni del pendolo di Galileo, fino ad arrivare agli orologi moderni. La sfida per la misura sempre più precisa del “passare del tempo” è fortemente motivata dalle attività tecnologiche oggi prevalenti, che vanno dagli scambi finanziari in borsa alla velocità di miliardesimi di secondo, al trasferimento dell’informazione alla velocità della luce, alla misura delle distanze che si compiono misurando il tempo che la luce ci mette a percorrerle, alla navigazione e all’esplorazione che, sempre più precise, dalla Terra si spostano allo spazio.
La meccanica quantistica – l’UNESCO la celebra quest’anno nel suo centenario – ha compreso la struttura degli atomi e i meccanismi in base ai quali gli elettroni possono “saltare” da un livello di energia all’altro, se pilotati da radiazione elettromagnetica oscillante a una frequenza determinata con estrema precisione dalla differenza energetica tra i livelli atomici.
Una sessantina di anni fa la definizione di tempo è cambiata, passando dal ripetersi ciclico di giorno e notte al ticchettio di atomi di cesio, nove miliardi di volte più veloce di quello del pendolo di Galileo. Gli atomi, uguali in ogni tempo e in ogni luogo, sono quindi i nuovi orologi naturali.
In un gas alle temperature per noi normali gli atomi si agitano velocissimi e questo è un limite alla possibilità di tenerli sotto controllo per una misura precisa delle loro oscillazioni da orologio. La meccanica quantistica, oltre che a una rivoluzione nella comprensione scientifica, ha portato a importanti rivoluzioni tecnologiche, come l’invenzione del laser che, tra le sue innumerevoli applicazioni, ha anche consentito di rallentare il moto degli atomi raffreddandoli sin quasi allo zero assoluto. Se l’importanza del raffreddamento laser in termini generali è stata riconosciuta dall’assegnazione del Premio Nobel per la fisica nel 1997 a Chu, Cohen-Tannoudji e Phillips, il Premio Balzan 2025 è un riconoscimento per la concreta rivoluzione prodotta dagli atomi freddi nella metrologia del tempo e per l’apertura di nuovi scenari.
Al vincitore, Christophe Salomon, si deve l’invenzione di nuovi metodi pionieristici che, partendo dal raffreddamento laser, gli hanno permesso il pieno sviluppo degli orologi atomici. Si deve a Salomon l’invenzione e la prima dimostrazione nel 1991 dell’orologio a fontana atomica, in cui gli atomi di cesio, raffreddati da fasci laser a una temperatura di solo pochi microkelvin (milionesimi di grado sopra lo zero assoluto), vengono lanciati delicatamente verso l’alto, come il getto dell’acqua in una fontana, e vengono misurati durante tutto il loro moto di ascesa e poi di discesa. Con questo schema è possibile aumentare significativamente la durata della misura, e quindi la sua precisione. Oggi, lo schema della fontana atomica è utilizzato universalmente negli istituti metrologici di tutto il mondo per la realizzazione di quella rete di orologi atomici primari interconnessi che definiscono il Tempo Atomico Internazionale.
Salomon ha riconosciuto l’importanza della definizione del tempo per la scienza e, scienziato di prim’ordine interessato anche alla fisica fondamentale, in collaborazione con l’Osservatorio di Parigi ha sviluppato anche la prima fontana atomica “trasportabile”. L’ha utilizzata nei laboratori guidati da Theodor W. Hänsch (Premio Nobel per la fisica nel 2005) per celebri misurazioni dello spettro dell’idrogeno, che hanno fornito una verifica molto rigorosa della teoria dell’elettrodinamica quantistica (QED), la teoria fisica che a oggi è verificata sperimentalmente con la massima precisione.
Salomon è stato anche il primo a immaginare il funzionamento di questi orologi con atomi “ultrafreddi” nella microgravità dello spazio. Trent’anni fa, con il supporto del CNES (Centre National d’Études Spatiales) e dell’ESA (European Space Agency), ha iniziato a sviluppare il primo orologio al cesio per la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), dove l’ambiente di microgravità può consentire miglioramenti notevoli nella precisione e, allo stesso tempo, la realizzazione di test altamente accurati degli effetti della relatività generale. Solo pochi mesi fa, l’orologio spaziale sviluppato da Salomon e dai suoi collaboratori è approdato sulla ISS e i primi segnali sperimentali mostrano già un aumento del tempo di interazione rispetto agli orologi atomici a fontana di cesio sulla Terra.
La comunità scientifica è al lavoro sullo sviluppo di orologi atomici ancora più precisi, quali quelli basati sulla misurazione delle frequenze ottiche, centomila volte più veloci delle microonde utilizzate negli attuali orologi campione. Anche in questo campo l’orologio ad atomi freddi di Salomon che opera nello spazio potrebbe rivelarsi cruciale per la comprensione della riproducibilità di questi nuovi orologi atomici che funzionino in diversi luoghi della Terra.
