Si fa presto a dire ‘un secondo’








Escludendo il dire comune: un secondo e scendo che ha durate molto variabili a seconda di chi le pronuncia, se donna o uomo, in realtà, definire la durata del secondo è tutt’altro che semplice.

L’accuratezza della durata di questa unità di intervallo di tempo infatti viene garantita dal confronto della scala atomica dell’EAL (Echelle Atomique Libre) verso i campioni primari realizzati dai laboratori metrologici posti in vari punti del mondo: in Italia (INRIM), in Germania (PTB), in Francia (OP), in Giappone (NICT), negli USA (NIST) ed in Gran Bretagna (NPL).

Su chi si fa domande sulla vera necessità di avere una fonte di tempo così precisa, diciamo che questa è una necessità fondamentale dovuta alle moderne esigenze tecnologiche legate a molti ambiti e settori.

Tra le più facili da comprendere possiamo citare il sistema di posizionamento globale (GPS) usato ormai dalla maggior parte delle persone per la navigazione stradare, ma sono altrettanto fondamentali per le reti telematiche, per la gestione dei satelliti, per i sistemi radar, per la ricerca e… molto, molto altro ancora.

Quindi per poter avere la nostra unità di tempo (il secondo) la più precisa possibile, necessitano apparecchiature veramente sofisticate e complesse.

Ad oggi, con orologi a fontana atomica di cesio, si riesce ad avere un livello di precisione tale che per accumulare un errore di un secondo, occorrerebbero oltre 30 milioni di anni!

Ma le problematiche non finiscono solo sulla precisione assoluta del campione di tempo, si aggiungono infatti altri fattori legati alle teorie relativistiche einteiniane. Infatti per questi livelli di precisione l’influenza dell’altezza, della massa e della velocità relativa dove l’orologio atomico è posizionato, influisce in maniera macroscopica sui sincronismi e sulla durata assoluta del secondo.

Per fare alcuni esempi, illustriamo due tra i principali effetti relativistici, dovuti:
alla presenza della gravità terrestre (effetto di relatività generale)
alla velocità relativa tra due diversi orologi noto come effetto doppler relativistico o di secondo ordine (effetto di relatività ristretta).

La trattazione è volutamente semplificata per fugare la noia ed allo scopo di rendere solo un’idea quantitativa delle entità e degli effetti in gioco.
 
Prendiamo ad esempio un orologio posizionato sulla superficie terrestre e posto al livello del mare, rispetto ad un identico orologio posto su un satellite GPS.
Quest’ultimo si troverà ad una altezza, dal centro della Terra, di circa 27.000 Km, e si muoverà con velocità di circa 3800 m/s, mentre l’orologio terrestre si trova a circa 6400 Km dal centro della terra e viaggierà a circa 465 m/s (ricordiamoci che la terra gira).
Secondo dei calcoli che non riporto, gli orologi manifesteranno tra di loro uno scarto relativo di frequenza, in valore assoluto, pari a circa 38,9 µs (microsecondi) al giorno.
Convertendo ora questo ritardo in “errore di distanza”, sempre dagli stessi calcoli, otteniamo un errore di ben 12 Km che costituisce un errore significativo nella distanza e che si ripercuoterebbe poi nel calcolo della posizione dell’utente a terra.

Per questi motivi, gli orologi installati sui satelliti GPS vengono spostati in frequenza, prima del lancio, di una quantità tale da compensare lo scarto di frequenza atteso per l’orbita su cui verranno posizionati.
Con queste semplici considerazioni, si può vedere quanto le correzioni relativistiche siano importanti per gli orologi e per i loro impieghi nel campo della navigazione ed in altre attività industriali.

Per chi voglia approfondire queste problematiche, rimando a vari documenti pubblicati dal nostro istituto metrologico a questo link.

Per ora chiudiamo qui, ma è un argomento che riprenderemo a breve.
Saluti.

Nella foto l’orologio a fontana atomica di cesio dell’INRIM di torino da cui è tratto questo articolo.

 

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