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 2020  gennaio 06 Lunedì calendario

L’orologio più preciso d’Italia

L’orologio più preciso d’Italia è protetto in un laboratorio chiuso con doppia porta. Non ha numeri al quarzo: è costituito da banchi ottici, sorgenti laser, calcolatori, che occupano l’intera stanza. La scansione del tempo, il ticchettio, è dato dalla frequenza di risonanza degli atomi di cesio ottenuta attraverso un impulso elettromagnetico. Il nucleo del sistema è un cilindro di metallo: qui gli atomi, dopo essere stati raffreddati, vengono immessi e lasciati ricadere come gli zampilli di una fontana. Questo complesso campione di puntualità perde un secondo ogni cento milioni di anni. «In giro per il mondo ce ne sono pochissimi con questo tipo di incertezza», spiega il ricercatore Marco Pizzocaro. «Qui otteniamo alcune tra le misure migliori che l’umanità sa produrre. Lo chiamiamo orologio ma non è un orologio: è uno standard di frequenza, dà la scansione del secondo». In sostanza è il cuore del ritmo. 
ADDIO ALLA RAI
Il luogo d’Italia dove si custodisce uno dei più accurati super-orologi atomici d’Europa è la sede dell’Inrim, l’Istituto nazionale di metrologia di Torino. Da qui partiva il segnale orario scandito fino a qualche anno fa dalla Rai. La collaborazione è terminata nel 2016 perché la trasmissione digitale dei programmi impone un ritardo di 3 o 4 secondi che renderebbe impossibile trasmettere l’ora esatta. Ogni mese il laboratorio di Tempo e Frequenza di Torino invia i propri dati all’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure di Parigi per il calcolo dell’ora esatta Utc (Tempo universale coordinato), a cui contribuiscono gli istituti di metrologia di tutto il pianeta. Più esattamente Utc è l’ora atomica media che arriva dai cinque continenti corretta periodicamente di circa un secondo per mantenersi al «passo» con il moto della Terra, che è meno costante del tempo degli atomi. 
Ma l’orologio atomico di Torino non è solo un oggetto da guinness dei primati, né il Bureau parigino un laboratorio di cervelli da fumetto. Riuscire a spaccare il secondo sta diventando sempre più determinante nel funzionamento dei sistemi di geolocalizzazione e navigazione satellitare, è indispensabile nelle transazioni di Borsa e consente di svolgere misure di precisione nel campo della ricerca sulle teorie einsteiniane e del magnetismo terrestre. «Tutto questo non mi serve per arrivare puntuale agli appuntamenti», chiarisce Pizzocaro davanti alle scale colorate che lampeggiano sui monitor. Sono gli orari delle Nazioni del mondo, tutti impercettibilmente diversi l’uno dall’altro: la linea viola rappresenta gli Stati Uniti, il nero la Germania, il blu la Francia, il rosso l’Italia. Nessuno, tra i ricercatori del secondo perfetto al lavoro in questo laboratorio del tempo assoluto, indossa l’orologio. «Io ho l’ora più bella del mondo ma arrivo in ritardo lo stesso», scherza Pizzocaro. Eppure è questo uno dei cuori pulsanti d’Europa per la ricerca del ritmo del mondo. 
L’inseguimento del tempo esatto serve alla comunità scientifica per «misure di precisione», ma l’applicazione più comune è il Gps. «I satelliti Gps hanno orologi atomici. Servono orologi molto buoni per vedere quanto tempo impiega il segnale dal satellite ad arrivare a me e a triangolare la mia posizione. Dal nostro istituto controlliamo come vanno gli orologi atomici sui satelliti Galileo. Anche la Finanza ha iniziato a preoccuparsi del tempo. Abbiamo infatti realizzato da due anni un collegamento via fibra con la Borsa di Milano in modo da fornire l’ora esatta». 
La grande sfida più recente si gioca proprio nel campo della geolocalizzazione. L’Europa ha da poco reso parzialmente operativo Galileo, il nuovo sistema di navigazione satellitare europeo, simile al Global Positioning System (Gps) americano e al Glonass russo. Entro il 2021 tutti gli smartphone venduti nell’Unione europea dovranno inviare la posizione precisa di chi chiama e dovranno quindi essere compatibili con la tecnologia di localizzazione di Galileo. A settembre la Commissione Ue ha annunciato che i dispositivi che utilizzano la nuova tecnologia hanno raggiunto il miliardo. La costellazione di Galileo è formata da 26 satelliti posti a quasi 24mila chilometri dalla terra. A bordo di ogni satellite sono montati due orologi atomici. Hanno un grado di accuratezza che prevede l’errore massimo di due miliardesimi di secondo al giorno, ma un orologio centrale, a terra, ancora più preciso, li sincronizza continuamente. Per la definizione della posizione è necessario il «dialogo» dello strumento di ricezione, per esempio uno smartphone, con quattro satelliti. Riuscire a trovare la strada giusta in macchina o a piedi con il supporto di un navigatore è una questione di tempo esatto. Più sono precisi gli orologi a bordo dei satelliti più la localizzazione sarà corretta. Gli orologi ci dicono dove siamo, non solo che ore sono. Errori nella misura di tempo compromettono la precisione della posizione. 
PRESTAZIONI SUPERIORI
«A differenza del Gps americano, che è un servizio di geolocalizzazione militare, Galileo è civile», spiega la responsabile Galileo dell’Inrim di Torino, Ilaria Sesia. «Il Gps americano può essere oscurato in qualsiasi momento per motivi militari, ed è la prima cosa che accade quando ci sono dei conflitti». 
Il sistema europeo ha affinato l’accuratezza del segnale di tempo proprio per ottenere prestazioni superiori nella geolocalizzazione rispetto al passato. A questo fine si lavora in quota e a terra. La gestione di Galileo è affidata al centro di Telespazio, nella piana del Fucino, in Abruzzo. Ma è l’Istituto metrologico di Torino a sorvegliare che il tempo diffuso dal sistema sia perfettamente in accordo con l’Utc mondiale. «Un errore di un miliardesimo di secondo negli orologi dei satelliti», continua la ricercatrice, «si traduce in un divario di trenta centimetri per la posizione dell’utente. Alcuni miliardesimi di secondo di errore diventano un problema anche per l’atterraggio degli aerei. Alcuni requisiti di Galileo nascono proprio da esigenze dell’aviazione: per uso generale è concesso un errore di tempo massimo di alcuni miliardesimi di secondo. Questo margine significa un errore di posizione di circa mezzo metro, misura che corrisponde all’affondo tipico del carrello di un aereo in fase di atterraggio». 
Galileo offrirà servizi sempre più precisi di posizionamento per i trasporti aerei, marittimi e terrestri, di utilizzo quotidiano anche per chi va in macchina, per il controllo delle collisioni e la gestione del veicolo in condizioni di scarsa visibilità. Sarà impiegato anche nel campo dell’energia elettrica, per facilitare la sincronizzazione delle linee, e in quello delle transazioni finanziarie di Borsa, oltre che nelle emergenze e nelle situazioni di crisi in cui la localizzazione è fondamentale, come eventi naturali o nella mappatura degli iceberg ai Poli. 
Ma la ricerca del secondo più esatto intanto non si ferma, per spingersi oltre ogni limite conosciuto. Anche a Torino si sta sperimentando, come in pochi laboratori al mondo, un modello più evoluto di orologio atomico, quello ottico. L’atomo scelto è l’itterbio. La transizione che consente di avere una scansione, un ticchettio più accurato, viene provocata attraverso radiazioni laser. Questo sensore sperimentale del tempo è dieci volte più preciso della fontana criogenica al cesio, con un indice di errore vicino a un secondo ogni miliardo di anni. Si trova in un laboratorio accanto a quello che custodisce la fontana, in un ambiente punteggiato da piccole luci gialle. 
Ci sono ancora molti anni di lavoro davanti, ma «prima o poi il cesio sarà abbandonato», conferma Pizzocaro. Si potrebbe arrivare dunque a una ridefinizione della misura del secondo, ora legata agli atomi di cesio, come è avvenuto quest’anno con il chilogrammo. E collegare con cavi in fibra ottica tutti i più sofisticati orologi europei (molte tratte sono già state coperte) per giungere a un ritmo comune sempre più sottilmente perfetto.