Ogni giorno abbiamo a che fare con il tempo. Nella vita quotidiana, è sufficiente misurare il tempo con una precisione di pochi minuti. Nelle competizioni sportive, come le gare di corsa su brevi distanze, spesso è necessaria una precisione di 0,01 secondi, mentre per gli sport ad alta velocità, come la Formula 1, è richiesta una precisione di 0,001 secondi (1 millesimo di secondo). Tuttavia, in alcuni campi della ricerca scientifica, i requisiti di precisione temporale sono molto più elevati, spesso richiedendo una precisione di un millesimo di secondo o addirittura di un milionesimo di secondo. Quali strumenti di misurazione del tempo possono soddisfare tali requisiti?
Attualmente, gli strumenti di misurazione del tempo più precisi sono gli orologi atomici al cesio. Gli scienziati hanno sviluppato orologi atomici al cesio in grado di funzionare ininterrottamente per 6 milioni di anni, con un errore cumulativo inferiore a 1 secondo. Perché il cesio può essere utilizzato per creare strumenti di misurazione del tempo così precisi? Sappiamo che la Terra impiega 24 ore per completare una rotazione, dividendo ogni ora in 3600 parti, pari a 1 secondo. Pertanto, il tempo necessario per una rotazione della Terra diviso per 86.400 è pari a 1 secondo. Tuttavia, la velocità di rotazione della Terra non è stabile, a volte è più veloce e a volte più lenta, e il secondo così definito non soddisfa i requisiti di alta precisione di alcuni esperimenti scientifici. Il cesio può essere scelto come materiale per gli orologi atomici perché è il membro più attivo della famiglia dei metalli, il che significa che l'energia di transizione degli elettroni esterni è bassa e il segnale di onde elettromagnetiche emesso è nella gamma delle microonde della radio, che coincide con la frequenza di trasmissione dei satelliti radio. Attualmente, la tecnologia umana per la produzione di strumenti in questa gamma di frequenza è molto sviluppata. Pertanto, gli scienziati utilizzano le onde elettromagnetiche emesse dagli elettroni che saltano tra due livelli energetici nell'atomo di cesio come standard per controllare e calibrare gli oscillatori elettronici, e quindi controllare il funzionamento dell'orologio. Così, sfruttando queste caratteristiche degli atomi di cesio, è stato creato un nuovo tipo di orologio, l'orologio atomico al cesio, e si è stabilito che 1 secondo è il tempo necessario perché un atomo di cesio salti da un livello energetico all'altro 9192631770 volte. Questa è la definizione più precisa del secondo fino ad oggi.
Oltre agli orologi atomici al cesio, sono stati inventati anche gli orologi atomici all'idrogeno e allo rubidio. Grazie agli orologi atomici, è stato possibile condurre ricerche scientifiche più accurate su esplosioni di bombe atomiche e bombe all'idrogeno, il lancio di razzi e missili, la navigazione spaziale e i satelliti artificiali della Terra, consentendo un controllo e un funzionamento di alta precisione.