How do atomic clocks work?

We all have a clock (a watch, on the cell phone, on the wall), but what is the most precise clock in the world? How do you measure time with an exceptional precision?
Let's find together how atomic clocks work, the most accurate way to measure time ever built by man.
Are the even TOO MUCH accurate? Do we really need them?
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[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

ERRATA CORRIGE - Come alcuni di voi mi hanno fatto notare, gli orologi atomici a bordo dei satelliti GPS devono compensare anche per l’effetto di moto relativo rispetto all’osservatore a terra che agisce in senso CONTRARIO rispetto a quello di dilatazione dei tempi. Il risultato netto è che gli orologi devono andare leggermente PIU’ VELOCI di quelli a terra. INOLTRE: devo avere scritto male il numero di oscillazioni del cesio 133. Il valore corretto è 9.192.631.770. ERRATA CORRIGE - As some of you pointed out, the atomic clocks on GPS satellites must compensate also for the effect of the relative motion with respect to the observer. That acts in the OPPOSITE WAY than the time dilatation. As a net result, the clocks must tick FASTER than those on the ground. MOREOVER: I must have made a mistake while writing down the number of oscillation of Cs133 atoms to define a second. The right number is 9.192.631.770

[@gussogabriele]

Complimenti! Unica spiegazione esaustiva in Italiano sul tema. Non è banale saper condensare in così pochi minuti concetti di Struttura della Materia. Anche audace nel voler mantenere la S.E. in un video di KZbin! Finalmente qualcuno che non sacrifica l'esattezza dimostrativa dei concetti esposti a favore di una più facile esposizione. Davvero bravo!

[@dariobenoli3714]

L' ultima perla del 2016. Grazie Marco

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Grazie a te Dario

[@EliaMigliore]

Grandissimo, amo i tuoi video e adoro il tuo modo di diffondere sapere; sarebbe un idea (se ovviamente c'è più di una persona interessata) avere dei riferimenti a dei pdf o delle pagine internet che illustrino certi calcoli o comunque le formule per ricavare certi risultati; mi piace da morire "toccare con mano" certe cose anche se purtroppo il mio corso di laurea non mi fornisce un sapere approfondito della fisica quantistica e relativistica

[@boviko6161]

Ma qual'è il pezzo che riesce a registrare e contare perfettamente le piccole vibrazioni di ciascun tipo di orologio? È incredibile che riesce a sentirle tutte distintamente in maniera tanto nitida da non registrare né una di più né una di meno

[@mauriziosantini4842]

grazie mille non pensavo fosse così semplice

[@IlicSorrentino]

Grazie del video! Ho visto che hai messo i sottotitoli in inglese, bella idea. Forse dovresti aggiungerlo anche nel titolo, tipo: Come funzionano gli Orologi Atomici? - How Atomic Clocks work? [Sub Eng] ... o magari solo sub eng ecc. Forse verrebbe un titolo troppo lungo ma forse questo aiuterebbe il video a essere indicizzato all'estero. Lo dico perché ho i dispositivi in casa tutti settati sull'inglese e vedo la differenza nelle ricerche quando mi capita di usare il pc di altri. Grazie per l'annata di video... e felice Anno Nuovo.

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Ilic Sorrentino titolo e descrizione sono disponibili anche in lingua inglese

[@PellikanSama]

Ottimo lavoro, davvero interessante.

[@Noesala2110]

bel video di fine anno! non so xe' ma non sapevo dei livelli energetici così vicini xcio' grazie ;)

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Si tratta in effetti di interazioni debolissime, difficili da misurare.

[@a112Manu]

Gran bel video. Ben fatto, un giorno risolveró l'equazione dell'atomo di Cesio. Nel frattempo continua a deliziare la nostra curiosità!!

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Buon lavoro!!!

[@Grizzly_sr]

Quello del GPS era un esempio che ero *SICURO* che avresti fatto ehehehhe ... la cosa che mi fa impazzire è che il posizionamento è determinato ricevendo il segnale orario dai vari satelliti, e determinando una triangolazione in base alle differenze in centesimi e millesimi di secondo rispetto alla sincronia di ogni segnale, per determinare la distanza da ogni singolo satellite (sono tutti "geostazionari", aka: virtualmente restano "fermi" sempre nella stessa posizione). E peraltro rispetto all'altezza dei satelliti (quindi alla "distanza perpendicolare" rispetto alla stazione ricevente, aka il nostro navigatore) c'era la formula che ti dava la sensibilità relativa del ricevitore: considerato che il segnale radio impiega un tot di microsecondi per arrivare dal satellite al ricevitore, tale che la luce può percorrere in quel tempo uno spazio di poche decine di centimetri, si ottiene l'errore relativo del sistema, che con buona copertura *potrebbe* essere appunto preciso entro i 50-60cm (a cui ci sono da aggiungere spurie, risonanti armoniche, riflessioni in ionosfera, macchie solari e tante altre _sante camurrie_ che spostano la sensibilità a un margine d'errore che va fra i 50cm ed i due metri) Ad ogni modo: interessantissimo come sempre ;) Ah, in lab avevo un orologio radiocontrollato per la sincronizzazione dei server, direttamente dipendente dal segnale della stazione DCF77 in Germania. La cosa simpatica è che girando dei ponticelli selezionavi la distanza in linea d'aria dalla stazione trasmittente in scarti di 300km (nel mio caso, circa 3000km), affinché l'apparato correggesse di quel centesimo di secondo che impiega il segnale radio a giungere qui dalla Germania ;)

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Quando la precisione è tutto. Basterebbero errori di microsecondi per sballare del tutto la posizione sul GPS!

[@TheSilvanomeroni]

La cosa è anche più complessa in quanto Gps, ma idem Galileo, Glonass,... non impiegano satelliti geostazionari,

[@luigiciullo4107]

Grazie della tua presenza😍😍

[@Chiavaccio]

Bel video!

[@nocturnebasement]

Grazie =D

[@emanuele_80]

Grazie !!

[@gundamfortress]

Ma di che tipo di oscillazione si tratta? Di quale particella e di quale sistema di riferimento si tratta? Grazie per le vostre indicazioni, Gio' 🇨🇭

[@gtarsis]

Video chiaro e ben fatto come sempre. La domanda successiva è: come facciamo a contare le oscillazioni?

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Le oscillazioni da un livello all'altro emettono fotoni molto deboli (microonde e anche più lunghi). Occorre contare quegli impulsi, che hanno una energia molto ben definita.

[@claudiom4958]

Interessantissimo come sempre! Hai consigli sul come studiare Fisica? Metodi di studio?

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Sarò sincero, ormai la facoltà di Fisica è cambiata moltissimo. Mi sono laureato l'ultimo anno prima dell'introduzione del 3+2 quindi non saprei esattamente come funzionano le cose. Per lo studio della Fisica al liceo, credo che la cosa più importante sia sforzarsi di capire cosa significano formule e concetti. Imparare a memoria un'equazione o una relazione senza comprenderne il significato è limitante (e più faticoso)

[@claudiom4958]

Marco Coletti okok, e più o meno, per uno studio da autodidatta, potresti consigliarmi un percorso?

[@gussogabriele]

@@claudiom4958 se sei ancora interessato e pratico di matematica, ti consiglio come percorso il "Corso di fisica teorica". È un compendio esaustivo di 10 volumi redatto da Landau. Inizia con il primo di Meccanica classica e vedi come va.

[@sandrolideo4732]

Ed eccomi tornato dal video del secondo in più: argomento molto interessante, specialmente il funzionamento dell'orologio in sé, non credevo si parlasse di livelli energetici! Girovagando su internet per pura noia mi sono imbattuto su un articolo del Laboratorio di metrologia quantistica di RIKEN in Giappone e ho letto che hanno prodotto un orologio con una precisione maggiore dell'età dell'universo stesso; credo che per una reale veridicità della notizia occorrano altre simulazioni ma sapere questo è molto incoraggiante. Tornando sognatori incalliti ti pongo una bella domanda: sarà possibile un giorno portare al polso un orologio atomico? Certo attualmente sono apparecchi estremamente costosi e grandi; è solo che da quando ho scoperto cos'erano che ne vorrei possedere uno: so che è una stupidaggine immensa ma sapere il lavoro che c'è stato dietro è meraviglioso. Se non ci si sente da altre ti faccio gli auguri di buon anno qui. Buon anno!

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Credo che probabilmente si arriverà ad avere orologi abbastanza piccoli, ma dubito che ne avremo mai bisogno.

[@sandrolideo4732]

Marco Coletti Nooo che peccato 😂😂 me ne farò una ragione. Grazie e alla prossima; buona notte :D

[@camygiuliani8758]

Bel video grazie ;)

[@erodoto1445]

ottimo

[@GiuseppeLospalluto]

Avrei una domanda: Come mai viene usato proprio l'atomo di Cesio 133 oppure di Rubidio 87 e non altri? (Correggimi se ho sbagliato i nomi). Thank you so much and Happy New Year!

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Ci deve essere una condizione necessaria (l'atomo deve avere il livello fondamentale splittato), ma poi non c'è una particolare necessità. Suppongo ci siano limitazioni date dalla possibilità di "costringere" le oscillazioni utilizzando un pompaggio MASER analogo a quello necessario per "accendere" un LASER.

[@gustavofring4788]

Come funzionano gli orologi atomici ? Con l'elettrecità.

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Questo commento era finito nello spam. Perché? YT non ha il senso dell'umorismo?

[@gianlucabalin3452]

Happy new yearr !!

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Merry Christmas! Ah, no, sono in ritardo. Mi si è fermato l'orologio atomico...

[@Grivven]

Domandona: in teoria non sono gli interferometri per le onde gravitazionali i piu precisi? Oppure sono i piu sensibili?

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Grivven gli interferometri misurano le onde gravitazionali, non il tempo 😀

[@willtwomarc]

Ciao nel video, ma gli orologi che si trovano sui satelliti dovrebbero scorrere più velocemente rispetto gli orologi che si trovano sulla terra. Sulla terra dato che siamo più vicini al centro di Massa gli orologi atomici scorrono più lentamente, perché hai detto il contrario?

[@emanuele_80]

Ciao Marco. Non capisco, nel senso che non dovrebbe essere il contrario? Gli orologi atomici dei satelliti essendo più lontani dovrebbero risentire meno della "forza" di gravità e quindi contare il tempo più velocemente di quelli a terra?

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Sì, se fosse solo un problema di lontananza gli orologi nello spazio tenderebbero ad andare più veloci, ma qui c'è anche un effetto dovuto al loro movimento. Quando un oggetto si muove vede una dilatazione dei tempi, quindi dal nostro punto di vista (se trascuri gli effetti gravitazionali per un momento), a causa del loro moto gli orologi nello spazio andrebbero più lenti e quindi dovremmo accelerarli forzatamente. Siccome facendo il conto complessivo dei due effetti, quello che predomina è quello di movimento, dobbiamo accelerarli. In parole povere: dobbiamo rallentarli (ad esempio) di 50 microsecondi al giorno perché sono più lontani, ma dobbiamo accelerarli di (ad esempio) 60 microsecondi al giorno perché si muovono più in fretta e il risultato netto è che devi accelerarli di 10 microsecondi.

[@Scafatiello]

Gli orologi radiocontrollati (che so, metti un citizen) che sono connessi ai satelliti, sono proprio connessi con questi orologi atomici?

[@salvos98]

Gli orologi nello spazio non dovrebbero essere più veloci? Essendo più lontani dalla Terra risentono meno della gravità e quindi della distorsione spazio-temporale(ora che ci penso i miei piedi sono più giovani della mia testa) L'altro ieri ho visto una puntata di Futurama in cui Fry fa il poliziotto e ad un certo punto inseguono un'uomo in un mondo alla Tron, alla fine quel uomo era Schrodinger che portava una scatola, sono morto :D Altra cosetta,inutile ma che magari vi farà fare due risate, la legge di Coulomb non è solo per le cariche elettriche ma esiste una legge di Coulomb, ovviamente un Coulomb diverso, per il calcolo della spinta del terreno sui muri di sostegno, il professore mi diceva malissimo quando gli insistevo che la formula di Coulomb era per le cariche elettriche e che non fosse quella scritta alla lavagna.....

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

La minore gravità li fa andare più veloci, ma ho controllato e corretto quello che dico nel video (vedi il commento fissato in alto). Non avevo idea dell'esistenza di un altro Coulomb. Ma un po' di fantasia con i nomi no?

[@salvos98]

Ok, avevo capito male io il senso del ''più lenti'' capendo che il tempo scorreva più lentamente. Comunque mi sembra che ci sia un errore nella traduzione in inglese, hai scritto ''the atomic clocks on GPS satellites must compensate also for the effect of the relative motion'', ''must compensate'' significa deve/devono compensare, che unito al complemento seguente la frase viene ''gli orologi atomici sui satelliti dei GPS devono compensare anche per l'effetto....'' quindi devi scrivere ''must be compensated'' oppure ''must compensate also the effect of....'' e al posto di quel ''also'' metterei ''too'' alla fine della frase, si capisce meglio.

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Uh non credo a breve. In fondo una simile precisione non ci serve nella vita quotidiana. Però ce ne sono di relativamente piccoli (come una scatola da scarpe) quindi forse si arriverà a quel livello di miniaturizzazione

[@SSRI1981]

Dai Marco! Teoria delle stringhe o gravità quantistica a loop?

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Nell'ultimo video della serie sul Modello Standard ne vorrei parlare!

[@romario7539]

scusa, dato che voglio portare alla maturità l'orologio atomico, non ho capito bene come fanno gli elettroni ad oscillare tra un livello e l'altro, c'è in realtà c'è bisogno che si invia una radiazione elettromagnetica della frequenza giusta per farli passare da un livello all'altro. oppure è una cosa intrinseca della struttura iper fine che gli elettroni oscillano tra due livello dello stato fondamentale ?

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

+romario muca le oscillazioni iper fini usano l'energia presa dall'ambiente. Anche a temperature molto basse hai qualche fotone residuo che vagabonda e può essere assorbito

[@romario7539]

Ma quindi gli elettroni del cesio oscillano naturalmente nell orologio atomico e tu conti solo quando arrivi alla frequenza e li scatta il secondo è così via?

[@Luke-qs1lc]

Ciao hai un contatto x qlc chiarimento?

[@2557claudio]

bella spiegazione,ma mi viene una domanda..queste 9 miliardi e più' di di vibrazioni al secondo con che orologio sono state calcolate..

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Vengono "contate" tramite variazioni di potenziale. Ci sono strumenti anche più veloci di così

[@2557claudio]

@@LaFisicaCheNonTiAspetti grazie

[@kappa229]

Mi son sempre chiesto... come fa l'oscillazione dell'eletrone ad essere tanto regolare indipendntemente da ciò che succede attorno? Una (anche solo leggera) variazione di temperatura, o di pressione, o nel campo elettromagnetico circostante, non dovrebbe avere effetti sullo stato energetico dell'atomo del quale stiamo misurando l'elettrone?????? Spero di ricevere risposta XD XD

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

E' il nucleo a subire l'oscillazione. E il nucleo è meno sensibile perché più massiccio e ha livelli energetici molto più alti. Sono inoltre abbastanza sicuro che vengano tenuti molto freddi.

[@kappa229]

@@LaFisicaCheNonTiAspetti allora avevo frainteso, credevo si misurasse l'oscillazione dell'elettrone. Grazie mille per la risposta ;) intanto mi riguardo il video

[@leonardoparadiso4551]

Il satellite passa perpendicolarmente ad un punto della Terra; il suo moto è assimilabile ad un moto rettilineo uniforme e dunque occorre applicare una correzione secondo la teoria della relatività ristretta, essendo il suo tempo visto da terra dilatato. Nel contempo il satellite, essendo in caduta libera, non è soggetto alla gravità e perciò occorre sommare un ulteriore valore per la teoria della relatività generale poichè il suo tempo è visto dalla Terra scorrere ugualmente più lentamente.

[@giuseppec1500]

Dove si può comprare un orologio atomico?

[@francismadrazomartinez677]

Io c ho uno ma non va sul pulso.

[@gustavomaurizio2606]

L'ora l'egale

[@alessandroruggiero3892]

in realtà con 150-250€ potete comprarvene uno su ebay. Usato ; ) Non scherzo e non è neanche troppo grande. Se capite l'inglese qui c'è il video di un ingegnere elettronico australiano kzbin.info/www/bejne/f2aYpn-Ih9t_ebc che spiega come funziona. Ah, in realtà non mostra l'orario ma fornisce un segnale, di solito a 10MHz, estremamente stabile proprio grazie al rubidio.

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Infatti, ormai stanno diventando molto molto piccoli. Ma dubito arrivereremo mai ad averli al polso. A chi serve una tale precisione?

[@geixues]

A me risultano 9.192.631.770 periodi della radiazione... forse mi sono basato su fonti inattendibili e gradirei averne la conferma.

[@LaFisicaCheNonTiAspetti]

Sai che mi sa che hai ragione? Devo avere scritto male il 9 che poi ho letto come un tre... aspetta che lo aggiungo al commento di errata corrige. Grazie!

[@geixues]

Sei un grande Marco e la tua risposta mi dà il metro della tua passione per quello che fai! Grazie e ciao.