TEMPO

TEMPO

Misura del tempo (XXXIII, p. 476, App. III, 11, p. 928). - Introduzione. - La metrologia del t. è forse il ramo della scienza nel quale si sono verificati i progressi più rilevanti e costanti in questi ultimi decenni.

Infatti l'incertezza con la quale l'unità campione è stata via via riprodotta in laboratorio sotto la forma di un segnale elettrico temporale, è diminuita, in media, di un ordine di grandezza ogni lustro; questa tendenza, iniziata negli anni attorno al 1925, ha portato, in circa mezzo secolo, a precisioni dell'ordine di poche unità su 10¹³ nella conoscenza della durata del "secondo".

Gli orologi meccanici degli Osservatori astronomici consentivano già di conservare l'unità di t. con precisioni dell'ordine di qualche unità su 10⁶ ÷ 10⁷, ma tale notevole risultato non era facilmente utilizzabile a distanza, per la mancanza di una rete di stazioni radiotrasmittenti campione, che appunto in quegli anni veniva organizzata.

Uno sviluppo così rilevante nella misura del t. ha avuto profonde conseguenze sul sistema SI, cioè il sistema di unità di misura usato nella scienza e nella tecnica, sulla definizione di talune costanti fondamentali della fisica e ha consentito numerose e rilevanti applicazioni.

Poiché la grandezza "tempo" può assumere i due diversi significati di intervallo di tempo e di istante, ai quali sono legati rispettivamente i concetti di durata (e conseguentemente di frequenza), e quello di data di un evento, è opportuno considerare separatamente questi due aspetti del problema.

I campioni atomici. - La definizione dell'unità campione, il secondo, è stata sino al 1967 fondata su fenomeni astronomici, e cioè sulla rotazione della Terra o sulla sua rivoluzione attorno al Sole. In quell'anno, la XIII Conferenza generale dei pesi e delle misure adottò la seguente definizione: "il secondo è la durata di 9.192.631.770,0 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini F = 4, m_f = 0 e F = 3, m_f = 0 dello stato fondamentale 2S_1/2 del cesio 133". La durata del secondo è stata così riferita a un fenomeno subatomico, in particolare alla frequenza dell'energia elettromagnetica irradiata o assorbita da un atomo, durante la transizione di uno dei suoi elettroni tra due ben definiti livelli energetici. In altri termini, si è presupposto che la costante di Planck sia un invariante della fisica, e in particolare che il suo valore sperimentale, anche se mal noto, resti costante con il trascorrere del tempo. Per riprodurre in laboratorio il "secondo", viene effettuata un'esperienza di spettroscopia, con un apparato chiamato "campione con fascio di cesio". In questo apparato si sfrutta il fatto che l'atomo di cesio in corrispondenza ai due livelli considerati presenta momenti magnetici di segno opposto. Se l'atomo transita attraverso un particolare campo magnetico non omogeneo, le forze esercitate sull'atomo saranno pertanto di verso contrario. La traiettoria seguìta dai singoli atomi viene in tal modo modificata in funzione del livello energetico di appartenenza; si dispone così di un metodo atto a separare spazialmente gli atomi appartenenti ai due livelli. Con riferimento alla fig.1, che rappresenta lo schema di un campione atomico, in un ambiente nel quale è stato praticato un elevato grado di vuoto, una sorgente, costituita da un fornetto portato a una temperatura dell'ordine di 100 °C, produce un fascio di atomi eccitati di cesio. Gli atomi vengono fatti passare attraverso un primo campo "polarizzatore", tale che solamente gli atomi del livello voluto vengono inviati verso un sistema di cavità risonanti. Gli atomi che passano entro la cavità incontrano un campo elettromagnetico a microonde alla frequenza di circa 9,192 GHz, prodotto da un generatore esterno, il quale provoca la transizione di parte degli atomi da un livello all'altro; un secondo campo "analizzatore" invia al rivelatore i soli atomi che hanno effettuato la transizione. Si ottiene così un risonatore, cioè un apparato nel quale il segnale di uscita - proporzionale al numero di atomi incidenti sul rivelatore - è una funzione della differenza esistente tra la frequenza dell'oscillatore a microonde e la frequenza della transizione atomica. Con opportuni circuiti di tipo elettronico e radioelettrico si fa in modo che, almeno nominalmente, le due frequenze coincidano; a questo punto è sufficiente dividere per il numero 9.192.631.770 la frequenza dell'oscillatore ausiliario per ottenere un segnale di 1 Hz, il cui periodo è pertanto di 1 secondo.

Numerose cause fisiche fondamentali e difficoltà sperimentali limitano a poche unità su 10¹³ la differenza residua tra la frequenza così prodotta e quella caratteristica della transizione; uno dei principali limiti risiede nel principio d'indeterminazione di Heisenberg. Anche se la cosa non ha alcun senso pratico e al solo fine di fornire un'idea del livello delle precisioni raggiunte, si può ricordare che un orologio il cui campione di frequenza interno - il bilanciere o il pendolo - avesse un errore relativo attorno a 3 • 10^-13, impiegherebbe circa 100.000 anni per accumulare lo scarto di 1 secondo.

Altri tipi di campioni atomici sono oggetto di ricerca, sia con l'adozione di diverse tecniche, e cioè maser, laser, sistemi con pompa ottica, sia sfruttando le risonanze di altri elementi esistenti a frequenze più elevate di quella del cesio.

Scale di tempo. - La definizione atomica del campione di t. è stata introdotta, a tutti gli effetti della vita civile, con il 1° gennaio 1972. Questo evento ha sollevato tutta una serie di problemi, che sono stati risolti per il tramite di numerosi enti internazionali, in particolare il Comitato consultivo internazionale delle radiocomunicazioni e il Comitato consultivo per la definizione del secondo (organo del Comitato internazionale dei pesi e delle misure), enti nei quali l'Italia è rappresentata dall'Istituto Elettrotecnico Nazionale (IEN) di Torino, che è il Laboratorio metrologico nazionale per il t. e per la frequenza, nonché per le grandezze elettriche e fotometriche.

La necessità di tutta una serie d'intese nasce dal fatto che numerose e disparate sono le classi di utenti dell'informazione "tempo" - dai naviganti ai geodeti, da chi lancia missili interplanetari a chi deve gestire una rete di telecomunicazioni - e dalla necessità che la soluzione data a ogni singolo problema venga riconosciuta e adottata da tutte le nazioni e da tutte le classi di utenti.

In particolare, l'introduzione della scala di t. atomico, cioè di una successione uniforme d'intervalli di t., lungo la quale datare gli eventi, ha posto due problemi, quello dell'origine della nuova scala e quello della scelta di un metodo con il quale contemperare, l'uniformità della scala atomica con la velocità della rotazione della Terra, che non è uniforme.

Per la prima questione si è adottato come origine della scala atomica l'istante 0 UT2 (dall'ingl. Universal Time 2) del 1° gennaio 1958, dove il simbolo UT2 indica il t. solare medio, depurato degli effetti della migrazione dei poli e delle variazioni stagionali della velocità di rotazione della Terra.

Il secondo problema è ben più complesso in quanto ha diretta influenza anche nella vita civile. L'uso sistematico dei campioni atomici ha consentito di misurare con precisione sia le fluttuazioni nella velocità di rotazione della Terra, sia il rallentamento progressivo di questo moto, fenomeno che, negli anni successivi al 1963, ammonta a circa 1 secondo all'anno. Questo andamento è riportato nella fig. 2, sotto forma del grafico UT1-IAT, ove UTi è il t. solare medio depurato degli effetti della migrazione dei poli e IAT (dall'ingl. International Atomic Time) è la scala del t. atomico internazionale, costruita a Parigi da un apposito ente denominato Ufficio internazionale dell'ora (BIH, Bureau International de l'Heure), sulla scorta delle indicazioni degli orologi atomici dei vari Laboratori metrologici nazionali. Dal grafico si deduce che l'orologio rappresentato dalla posizione angolare della Terra (UT1) ha perso in 18 anni ben 15 secondi rispetto alla scala atomica la quale, invece, è uniforme per definizione. Tuttavia, dato che molte applicazioni scientifiche e tecniche, quali la navigazione, la geodesia e le imprese spaziali, necessitano dell'informazione UT1, cioè della posizione angolare della Terra, che varia in modo non uniforme, è stato necessario adottare un compromesso, chiamato tempo universale coordinato" (UTC, da Universal Time Coordinated), con la scala atomica, che è invece necessaria per altre applicazioni, quali le telecomunicazioni.

Dal 1° gennaio 1972 è stato così introdotto il "secondo intercalare", che può essere considerato come un analogo del giorno bisestile, e si è concordato che il 1° gennaio o il 1° luglio di ogni anno il BIH può decidere, se necessario, un salto di 1 secondo nella scala UTC per assicurare che la differenza tra i segnali di t. campione, che seguono la scala UTC, e i cui secondi sono nominalmente eguali all'unità SI definita sopra e l'ora rappresentata dalla posizione angolare della Terra, non superi un certo valore.

Inoltre tutte le stazioni radioelettriche campione, di cui diremo al punto successivo, emettono ogni minuto, con un apposito codice, un segnale che fornisce la differenza corrente tra UT1 e UTC.

Metodi di distribuzione. - La grandezza intervallo di t., con il suo inverso, la frequenza, è una grandezza fisica fondamentale che si presta a essere trasmessa a grande distanza. Nella fig. 3 vengono indicate, con i nominativi costituiti da 3 o 4 lettere, le posizioni geografiche delle stazioni radiotrasmittenti che emettono frequenze e segnali di t. campione; alcune stazioni operano nella gamma delle onde corte, o decametriche, tra 2,5 e 25 MHz e vengono usate ove la precisione richiesta sia dell'ordine del millisecondo, altre stazioni operano nella gamma delle onde miriametriche, tra 10 e 30 kHz, con emissioni di frequenza campione. In questo secondo caso con opportune tecniche sperimentali è possibile effettuare confronti di frequenza con errori residui di poche unità su 10¹¹.

La rilevante stabilità dei campioni atomici di frequenza ha reso possibile l'adozione di due nuovi sistemi di radionavigazione, quello chiamato OMEGA, che opera nella banda delle onde miriametriche, e quello detto Loran-C, che opera attorno a 100 kHz. Entrambi i metodi consentono misure di frequenza con precisione dell'ordine di 10^-11 e il secondo di essi, inoltre, permette di effettuare confronti di t. con errore assoluto dell'ordine di 1 μsec. Il sistema Omega dovrebbe, attorno il 1980, coprire tutto il mondo, quello Loran-C serve una fascia larga 3000 km, centrata lungo le coste dell'emisfero boreale. Le posizioni delle stazioni Omega e delle reti Loran-C sono riportate nella fig. 3.

Altri metodi fanno uso di segnali laser o delle emissioni televisive, o di segnali radioelettrici provenienti da particolari satelliti.

La possibilità di costruire un orologio atomico trasportabile ha reso nuovamente interessante, a distanza di un secolo, il confronto del tempo mediante trasporto fisico di un orologio. Queste operazioni, che sono indubbiamente complesse e costose, vengono effettuate con una certa frequenza (un centinaio ogni anno) ogni qual volta si debba provvedere alla sincronizzazione di orologi distanti con errori compresi tra un decimo di microsecondo e un microsecondo.

Laboratori metrologici e servizi campione. - Le ricerche sul t. e i relativi servizi sono svolti nei laboratori metrologici nazionali. In Italia, tali servizi, come accennato prima, sono svolti presso l'Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris in Torino (fig. 4), con emissioni campione dirette mediante una serie di radiotrasmettitori, tra i quali la stazione a onda corta IBF, e indirette mediante i radiotrasmettitori della RAI e presso l'Istituto Superiore delle Poste e Telecomunicazioni, in Roma, che effettua emissioni campione con il proprio trasmettitore IAM. Nella fig. 4 viene illustrata la sala ove viene costruita, presso l'IEN di Torino, la Scala di Tempo Nazionale e generati i segnali di t. e frequenza campione.

Determinazioni astronomiche della differenza UTC-UTi vengono effettuate sistematicamente presso gli Osservatori astronomici di Roma-Monte Mario e di Torino-Pino Torinese.

Bibl.: C. Egidi, La misura del tempo, in Alta frequenza, XXXIII (1964), p. 766; B. Decaux, B. Guinot, La mesure précise du temps, Parigi 1969; B. Guinot, Characteristics of a scale of time, in Alta frequenza, XL (1970), p. 684; M. T. Angeli e altri, The main national time scales compared with the italian UTC (IEN) time scale in the period 1970-1974, ibid., XLIV (1975), p. 558. Inoltre: Rapport annuel del Bureau International de l'Heure (BIH), Parigi.