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Fisica: generalità

Il tempo è un concetto inscindibilmente legato alla natura e all'esperienza dell'uomo; esso viene posto, insieme con il concetto di spazio, a fondamento dei modelli, costruiti dall'uomo, dell'Universo e dei fenomeni che in esso accadono. Fisicamente è una grandezza relativa, definita solo attraverso il metodo usato per la sua misurazione. Il problema della misurazione del tempo è uno dei più importanti affrontati dalla scienza e dalla tecnica. La nozione di tempo, dal punto di vista metrologico, va esaminata nei due aspetti della scala di tempo e dell'unità di tempo; una scala di tempo è una successione ininterrotta di fenomeni che permette di stabilire una cronologia, cioè di assegnare una data a ogni altro evento; conoscendo la meccanica, ovvero l'insieme delle leggi fisiche che concorrono a formare la scala, le date possono essere espresse in tempo uniforme, che a sua volta può essere impiegato per l'interpretazione di ogni altro fenomeno naturale. L'unità di tempo è la durata dell'intervallo di tempo che separa due fenomeni scelti una volta per tutte lungo la scala dei tempi. La storia della misurazione del tempo mostra che i fenomeni scelti per formare la scala dei tempi sono stati fenomeni naturali periodici; quali unità di tempo furono adottati multipli o sottomultipli del periodo dei fenomeni stessi. La precisione con cui si determina l'unità di tempo, cioè l'uniformità della scala di tempo, è in funzione della conoscenza della teoria che sta alla base dei fenomeni che formano la scala. Per molto tempo, tali fenomeni furono quelli astronomici, legati alla rotazione della Terra e alla sua rivoluzione attorno al Sole. Le unità di tempo (giorno, secondo, anno ecc.) furono derivate attraverso il confronto di numerose osservazioni. L'unità di tempo può essere però direttamente disponibile quando esista una durata riproducibile in ogni luogo e in ogni tempo: condizioni di tale genere sono oggi soddisfatte con l'impiego di orologi, in particolare di orologi atomici, che utilizzano quale unità di tempo il periodo di una transizione atomica opportuna, scelta come durata campione (l'inverso della durata campione è la frequenza campione: a scopi pratici risulta infatti più conveniente l'impiego di frequenze, anziché di tempo). Con questi ultimi è possibile definire una scala di tempo, detta tempo atomico, che prescinde dalla serie di fenomeni astronomici comunemente considerati per la valutazione del tempo. La precisione con cui oggi si opera utilizzando una scala di tempo astronomica, ovvero si datano i fenomeni astronomici, è limitata solo dagli errori d'osservazione. Va però sottolineato che la teoria dei fenomeni astronomici, in particolare dei movimenti della Terra, è ancora imperfetta, per cui l'unità di tempo che ne deriva è imprecisa: per omogeneità e comodità, nella datazione dei fenomeni astronomici si impiegano pertanto scale di tempo convenzionali. Quelle più usate comunemente sono basate sul tempo siderale e sul tempo solare: il primo ha quale unità il giorno siderale, il secondo il giorno solare, definiti dal valore dell'angolo orario, rispettivamente delle stelle (o di una stella opportunamente scelta) e del Sole. Sono quindi entrambi tempi locali, tali cioè che il loro valore, in uno stesso istante, dipende dalla posizione dell'osservatore sulla Terra (longitudine); da tale variabilità nacque l'esigenza di introdurre i fusi orari, 24 zone della Terra in ognuna delle quali vige, convenzionalmente, lo stesso tempo.

La misura del tempo: tempo universale

Il tempo universale (TU; anche, più spesso, UT, dall'inglese Universal Time) è definito dalla teoria della rotazione e della traslazione della Terra ed è il tempo locale (solare medio) del meridiano 0, passante per Greenwich (e per questo chiamato anche GMT, dall'inglese Greenwich Mean Time, tempo medio di Greenwich). Il TU è dedotto da osservazioni dirette del Sole o di stelle particolari, delle quali è nota la posizione con elevata precisione, e mediate poi dal Bureau International de l'Heure(BIH), istituito a Parigi nel 1911, sostituito poi, nel 1985, in questo compito, dal Bureau International des Poids et Mesures. Un servizio analogo è svolto anche dallo statunitense International Earth Rotation Service, servizio internazionale sulla rotazione della Terra (IERS). Il TU è così conosciuto, a posteriori, con una precisione di 0,001 s. Poiché il TU è influenzato dalla irregolarità nella rotazione terrestre e nel moto del polo, dal 1956 si distingue in TU0, che è il TU rapportato a un polo fisso, TU1, cioè TU0 corretto per l'influenza del moto del polo, e TU2, cioè TU1 corretto per la variazione stagionale della rotazione terrestre. Il TU2 non è ancora uniforme e l'unità di tempo derivata, cioè il secondo medio (1/86400 del giorno solare medio), è conosciuta con una precisione di 10-7.

La misura del tempo: tempo delle effemeridi

Tempo delle effemeridi (TE; anche, più spesso, ET, dall'inglese Ephemeris Time) è il tempo in cui la durata del giorno non è costante ma varia in media di 1,5 millesimi di secondo al secolo. Per tale motivo, nel 1956, fu introdotto il tempo delle effemeridi e la relativa unità di tempo. Questo tempo è definito dalla teoria del moto di rivoluzione della Terra, cioè dalla longitudine del Sole, quantunque venga osservata e misurata la longitudine della Luna che varia 13 volte più velocemente. L'unità di tempo derivata è il secondo delle effemeridi, cioè 1/31556925,9747 dell'anno tropico per il 1900, gennaio 0 a 12h TE; la precisione con cui è noto il TE è di circa 10-9.

La misura del tempo: tempo atomico internazionale

Tempo atomico internazionale (TAI), scala di tempo, detta anche International Atomic Time (IAT) definita, nel 1967, dalla XIII Conferenza generale dei Pesi e Misure, la cui introduzione fu resa possibile dai perfezionamenti tecnologici che avevano rivelato superata la precedente unità; questo tempo viene misurato da orologi atomici, la sua unità di misura è il secondo del Sistema Internazionale (SI); la precisione con cui è noto è di alcune unità su 10-14. La responsabilità della costruzione della scala IAT è passata nel 1988 dal Bureau International de l'Heure (BIH) al Bureau International des Poids et Mesures. Al BIH sono invece assegnati ricerche e servizi sul TU, ovvero sulle scale di tempo rotazionali, cioè legate alla rotazione della Terra. L'attuale scala di tempo IAT è costruita nella pratica utilizzando particolari algoritmi che confrontano i tempi segnati da circa 200 orologi atomici custoditi nei laboratori metrologici dei vari paesi del mondo. Negli Stati Uniti il laboratorio metrologico per la scala di tempo atomico è l'International Earth Rotation Service (IERS). In Italia, la responsabilità è affidata all'Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris, per il quale nel 2004 è stata proposta la fusione con l'Istituto G. Colonnetti nel nuovo Ente Nazionale di Metrologia (ENRM).

La misura del tempo: distribuzione di segnali campione

Una riduzione sensibile nell'errore di definizione sia della scala sia dell'unità di tempo si può avere dal confronto di scale di tempo di differente origine; per questo motivo, oltre che per scopi pratici, molte stazioni radiofoniche emettono segnali radio a frequenze particolari, controllate dai rispettivi orologi e secondo una scala di TU detto coordinato (TUC). I primi segnali a questo scopo furono emessi in Francia nel 1910. I segnali trasmessi possono essere manipolati per modulazione di ampiezza di un'onda portante (consistono quindi in battimenti) oppure possono venire modulati in frequenza, ogni segnale essendo costituito da n cicli alla frequenza n∤200 Hz (in pratica 5 cicli a 1000 Hz). Sono molto usati i segnali emessi dalle stazioni della rete per la navigazione basata sul sistema LORAN-C, che emettono impulsi alla frequenza di 100 kHz, stabilizzati in frequenza e in fase. Al contrario del LORAN-C, che si è completamente ammodernato, il sistema OMEGA, il primo di radionavigazione del mondo che ha trasmesso segnali di frequenza per più di 26 anni, è stato invece completamente dismesso il 30 settembre 1997, alle 03:00 di TU. Con gli sviluppi delle scienze spaziali, alle diverse centinaia di stazioni di terra che forniscono servizi di frequenza campione si sono infatti affiancate le emittenti basate su satelliti artificiali. I satelliti effettuano la distribuzione di segnali di tempo campione forniti dai laboratori metrologici autorizzati ed effettuano il confronto tra gli orologi campione dei diversi laboratori in tutto il mondo. Sono utilizzati sia satelliti per la navigazione sia satelliti per telecomunicazioni. Il primo sistema globale utilizzato a questo scopo è stato il sistema statunitense di 5-8 satelliti polari TRANSIT. In attesa dello straordinario sistema satellitare europeo Galileo, le migliori prestazioni sono fornite dal sistema satellitare statunitense Global Positioning System (GPS) basato su 24 satelliti su orbite circolari, dei quali almeno 4 sono sempre in vista dell'utilizzatore del servizio. La differenza tra la misura di un orologio a bordo del satellite e quella di un orologio a terra può essere determinata con errori anche dell'ordine di appena qualche nanosecondo. Grazie ai satelliti, il confronto tra orologi posti in continenti diversi può essere fatto con la precisione di circa 0,3 nanosecondi.

Fisica: nozione di tempo

La nozione di tempo e la sua misurazione sono basate essenzialmente su processi ciclici: la prima proposta per l'impiego di processi lineari, più congruenti con il concetto filosofico di tempo, venne avanzata nel 1715 da E. Halley, che indicò nel grado di salinità del mare, crescente nel tempo, un indice di . Analogamente, W. T. Kelvin indicò nel raffreddamento della Terra, e H. Helmholtz nella contrazione del Sole, degli indici di tempo. La scoperta della radioattività fornì il processo lineare più preciso: l'unità corrispondente è la semivita di un elemento radioattivo, cioè il tempo richiesto da metà dei nuclei dell'elemento stesso per disintegrarsi. Le scale lineari di tempo si sono rivelate particolarmente utili per elaborare metodi di misura di grandi intervalli di tempo (per esempio metodo del carbonio 14). Nell'uso degli orologi naturali radioattivi e nello sviluppo degli orologi ultraprecisi, è implicito il concetto che gli atomi obbediscano, in ogni luogo e in ogni tempo, alle stesse leggi fisiche: la possibilità che le leggi fisiche varino nel tempo è, però, ancora soggetta a verifica.

Fisica: equazione del tempo medio

È detta equazione del tempo medio la differenza εm fra l'angolo orario del Sole medio e quello del Sole vero, misurati nello stesso istante da uno stesso osservatore. Tale differenza, variabile nel corso dell'anno e di anno in anno, si annulla quattro volte all'anno e ha come valore massimo +16 minuti e come valore minimo -14 minuti. È data dalle effemeridi nautiche. Al valore εv=-εm si dà il nome di equazione del tempo vero.

Fisica: tempo cosmico

Tempo cosmico, criterio di definizione e misura del tempo adottato dai cosmologi che prende a riferimento le condizioni locali di alcuni parametri quali il tasso di espansione del cronotopo, la densità locale delle galassie, la temperatura della radiazione di fondo a microonde, ilred shift gravitazionale ecc. onde stabilire una scala temporale scandita dalla progressiva evoluzione (locale) dei parametri stessi. Un osservatore constaterà identici tempi cosmici qualora la misura dei parametri cosmologici relativi a due diversi punti dell'Universo dia risultati identici.

Fisica: tempo relativistico

Tempo relativistico: la misura del tempo rappresenta nella relatività (speciale e generale) un'operazione strettamente dipendente dalle condizioni cinematiche e/o gravitazionali nelle quali l'osservatore la compie. Per esempio, le particelle μ, o muoni, presenti negli sciami di particelle prodotte dagli impatti dei raggi cosmici in seno all'atmosfera, colpiscono la superficie terrestre a velocità molto prossime a quella della luce dopo un tempo di volo dell'ordine di 200 microsecondi. I muoni sono particelle instabili che – in laboratorio – decadono spontaneamente in soli 2 microsecondi. L'accrescimento della loro vita media negli sciami atmosferici è giustificato con la dilatazione del tempo prevista dalla relatività speciale per gli osservatori in moto. Fenomeni di dilatazione temporale si hanno anche per la teoria della relatività generale. In questa teoria, l'effetto Einstein consiste in uno spostamento verso il rosso manifestato dalle radiazioni elettromagnetiche irradiate dai corpi celesti dotati di considerevole campo gravitazionale (red shift gravitazionale). In prossimità del Sole, tale spostamento raggiunge 0,01 Å, equivalenti in frequenza – e pertanto nella scala del tempo locale – a una dilatazione temporale di 2×10-6 secondi al secondo. La dilatazione del tempo salirebbe però a valori 15 volte maggiori se l'astro fosse una compatta nana bianca a fortissima intensità superficiale del campo attrattivo, come Sirio B. Si verificherebbe, infine, il completo azzeramento del corso del tempo (dilatazione infinitamente grande) in corrispondenza della “superficie degli eventi” che circonda un buco nero.

Fisica: tempo termodinamico

Anche se si possono facilmente immaginare processi apparentemente reversibili nel tempo (l'oscillazione di un pendolo, il moto dei pianeti, la traiettoria di una biglia che rimbalza fra le sponde di un tavolo da biliardo), l'analisi microscopica mostra che, in realtà, anche questi processi sono processi termodinamici irreversibili che definiscono un modo di scorrere univoco del tempo, cioè sempre nella stessa direzione. È noto infatti come, dell'energia che viene conferita a un sistema per indurvi una qualsiasi trasformazione, una frazione ineliminabile debba comunque andare dispersa in modo non recuperabile sotto forma di energia disordinata quale, per esempio, calore. L'ampiezza decrescente delle oscillazioni pendolari per effetto degli attriti (generatori di calore), il riscaldamento della biglia in seguito agli urti, la dissipazione di energia cinetica sotto forma di radiazione gravitazionale da parte del pianeta in orbita forniscono altrettante chiavi di lettura per definire il verso in cui scorre il tempo. In generale, tutti i sistemi reali, non interagenti fra loro, nell'attuare le trasformazioni termodinamiche, tendono a raggiungere stati di disordine interno crescente. In termini rigorosi, le leggi della termodinamica impongono che le trasformazioni reali dei sistemi isolati si svolgano nel senso di accrescerne l'entropia. Irreversibilità e aumento di entropia sono sinonimi che, allo stesso modo in cui denotano le caratteristiche cui obbediscono gli eventi nel loro divenire, racchiudono anche la proprietà essenziale che conferisce senso al tempo, in quanto quest'ultimo perderebbe ogni significato qualora non si verificasse produzione alcuna di eventi, o non vi fosse mezzo per determinare l'universale verso di scorrimento.

Bibliografia

J. F. Fraser, F. C. Habner, G. H. Müller (a cura di), The Study of Time, Berlino, 1972; G. J. Whitrow, What is Time?, Londra, 1972; G. Bertazzi, R. Caimmi, Cosmo spazio tempo, Brescia, 1988.