Quanto dura un istante?

Tra tutte le quantità fisiche che caratterizzano la realtà dell’universo, nessuna è più sfuggente del tempo, e nessuna ci affascina allo stesso modo. Possiamo osservare l’estensione delle lunghezze, misurare la quantità di massa, rilevare la carica elettrica, ma l’unico modo per percepire il tempo è lasciarlo passare. Il suo scorrere definisce le nostre vite e la sua dimensione caratterizza tutti i fenomeni della realtà fisica: ma alla domanda su cosa sia il tempo, restiamo smarriti.

Tuttavia, nonostante la natura insondabile del tempo, abbiamo imparato a misurarlo con estrema precisione, grazie alla conoscenza profonda dei fenomeni che avvengono nel grembo infinitesimo della natura.

Il Premio Nobel per la fisica, è stato assegnato quest’anno per un terzo ciascuno a Anne L’Huillier, Ferenc Krausz, e Pierre Agostini, per le loro ricerche sulla possibilità di misurare il tempo per i fenomeni più rapidi che la scienza riesce oggi a osservare sperimentalmente. Queste ricerche rappresentano un trionfo della fisica di base, che con il suo lavoro pone le fondamenta per la comprensione di tutti gli altri aspetti della realtà.

Il 3 ottobre 2023 il Premio Nobel per la fisica è stato assegnato al trio composto da Pierre Agostini, dell’Università Statale dell’Ohio a Columbus, Ferenc Krausz, dell’Istituto Max Planck per l’Ottica Quantistica a Garching e dell’Università Ludwig Maximilian a Monaco di Baviera, e Anne L'Huillier dell’Università di Lund in Svezia, con la motivazione “per i metodi sperimentali utilizzati per la generazione di impulsi luminosi dell’ordine degli attosecondi per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia.”

La natura dei fenomeni atomici non riguarda infatti solo dimensioni estremamente piccole, ma anche eventi incredibilmente rapidi: così rapidi che i nostri secondi, che utilizziamo come unità di misura del tempo nella vita quotidiana, risultano inesorabilmente grossolani. Per rappresentare questa scala temporale straordinariamente breve sono necessarie quindi unità di misura adeguate.

Un  attosecondo (simbolo: as) è un sottomultiplo dell’unità di tempo, come il millisecondo (che corrisponde a un millesimo di secondo) o il microsecondo (che corrisponde a un milionesimo di secondo). La differenza è che gli attosecondi sono enormemente più piccoli: un attosecondo corrisponde infatti a un miliardesimo di un miliardesimo di secondo; in notazione scientifica, 10^–18 secondi. (Questa è anche la ragione per il nome del prefisso: dal danese “atten”, ossia “diciotto”.)

I movimenti degli atomi all’interno delle molecole possono essere misurati nell’ordine dei femtosecondi: pochi milionesimi di un miliardesimo di secondo. Per osservarli, possono essere utilizzati dei fasci di luce monocromatica coerente, ossia degli laser. Ma questo è il limite massimo di velocità a cui un laser può essere emesso con la tecnologia corrente: per osservare fenomeni mille volte più rapidi, come il movimento degli elettroni all’interno degli atomi stessi, che devono essere misurati nell’ordine degli attosecondi, era necessario un cambio di paradigma, e questo precisamente quello che hanno fatto i due scienziati e la scienziata insigniti quest’anno dal premio dell’Accademia Reale Svedese delle Scienze.

Nel 1987, Anne L’Huillier scoprì che facendo passare il fascio luminoso di un laser attraverso un gas nobile, come il neon, si generano impulsi di luce con una frequenza che era un multiplo della frequenza originale. Per fare un paragone, è simile al fenomeno in cui una nota suonata su uno strumento produce una serie di armoniche la cui frequenza acustica è un multiplo della frequenza originale. Il laser fa quindi “risuonare” gli elettroni degli atomi del gas nobile, che di conseguenza emettono fotoni con una frequenza diverse volte superiore alla frequenza del laser di partenza (in questo caso, nella banda degli infrarossi). Ciò significava che era possibile produrre impulsi luminosi mille volte più veloci di quanto si fosse pensato fino a quel momento, sostanzialmente scavalcando tutta una serie di problemi tecnologici e aprendo la porta al dominio temporale degli attosecondi.

Modulando in maniera opportuna la frequenza del laser di partenza, era possibile ottenere diverse di queste “armoniche di luce”; grazie alle caratteristiche ondulatorie della radiazione elettromagnetica, sovrapponendo un certo numero di onde elettromagnetiche è possibile generare uno schema di interferenza, sia costruttiva che distruttiva, per ottenere impulsi luminosi estremamente precisi: la corsa per la misura del tempo più veloce di sempre era aperta.

Nel 2001, utilizzando la cornice teorica fornita da L’Huillier, Pierre Agostini riuscì a costruire un esperimento in grado di produrre una serie di impulsi luminosi consecutivi, ciascuno della durata di soli 250 attosecondi. Nello stesso anno, utilizzando un tipo diverso di apparato sperimentale, Ferenc Krausz riuscì ad ottenere un singolo impulso luminoso della durata di 650 attosecondi.

Questi esperimenti dimostrarono che gli impulsi luminosi nell’ordine degli attosecondi potevano essere prodotti e misurati, e di conseguenza utilizzati per studiare i fenomeni che fino a quel momento erano preclusi all’osservazione diretta, come la dinamica degli elettroni all’interno della materia, riuscendo a realizzare apparati sperimentali per misurare il tempo che impiega un elettrone a essere strappato da un atomo, o il tempo necessario agli elettroni per oscillare da una parte all’altra all’interno di una molecola.

Una comprensione così precisa ed accurata dei fenomeni che avvengono a una scala così rapida ha una ricaduta immediata su una vasta gamma di applicazioni: dalla fisica dei nuovi materiali alla diagnostica di precisione, dall’ingegneria dei componenti elettronici allo sviluppo di nuove molecole farmacologiche.

Questa attività si presta ad interazioni interdisciplinari con il corso di Storia.

La misura del tempo è sempre stata di grande interesse, anche pratico, per gli esseri umani: dall’osservazione dei grandi cicli astronomici agli esperimenti di fisica quantistica.

Per svolgere l’attività, la classe potrà essere divisa in piccoli gruppi, ognuno dei quali si occuperà di svolgere una ricerca su uno strumento per la misura del tempo: realizzando una presentazione (scritta, orale, multimediale) in cui verrà spiegato nel maggior dettaglio possibile il suo funzionamento, e possibilmente il contesto storico in cui è stato sviluppato.

Esempi di strumenti di misura del tempo che possono essere scelti per la ricerca:

- Meridiana
- Clessidra
- Orologio ad acqua
- Orologio a pendolo
- Orologio a molla
- Orologio al quarzo
- Orologio atomico

The Nobel Foundation (in inglese)
The Nobel Prize in Physics 2023 [Press Release]

The Nobel Foundation (in inglese)
The Nobel Prize in Physics 2023 [Popular Science Background]

The Nobel Foundation (in inglese)
The Nobel Prize in Physics 2023 [Advanced Scientific Background]

Le misure del tempo
Paolo Gangemi
Codice (2021)
ISBN: 9788875789510

Storia del tempo
Misurare il tempo da Zenone alla fisica quantistica
Joseph Mazur
Il Saggiatore (2020)
ISBN: 9788842827269

Misurare il tempo
Caterina Rochat
La Biblioteca (2000)
ISBN: 9788886961301

L’ordine del tempo
Carlo Rovelli
Adelphi (2017)
ISBN: 978-8845931925