Come le altre quantità, la seconda è semplicemente un concetto relativo basato su un accordo
Nel 1875, 17 paesi leader di quel tempo, trache erano, tra cui, l'Austria-Ungheria, gli imperi russo e ottomano, Francia, Germania, Stati Uniti e Brasile, hanno firmato la Convenzione metrica - un trattato internazionale che garantisce l'unità degli standard di misurazione in diversi paesi. Per sviluppare principi uniformi e condurre misurazioni di riferimento, gli stati hanno creato l'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure.
Al 27° Convegno su Pesi e MisureI rappresentanti di diversi paesi hanno convenuto che la definizione moderna del secondo cessa di soddisfare l'accuratezza richiesta delle misurazioni e richiede una revisione. La tabella di marcia prevede che alla prossima riunione tra quattro anni i paesi dovranno scegliere un nuovo sistema di riferimento più accurato e modificare la formulazione del secondo.
Prime misurazioni di un secondo
Per secoli, le persone hanno misurato il tempola rotazione della terra. Dagli antichi egizi agli astronomi greci e babilonesi, l'umanità ha gradualmente cambiato l'accuratezza delle misurazioni, che richiedevano nuove unità di tempo, e con lo sviluppo della tecnologia, la loro unificazione e sincronizzazione.
I primissimi orologi meccanici apparsi inXIV secolo, non c'erano nemmeno minuti. I quadranti erano divisi in metà, terzi, quarti e talvolta anche in 12 parti di un'ora, ma mai in 60. I primi orologi meccanici con minuti apparvero verso la fine del XVI secolo. Allo stesso tempo, a differenza delle meridiane, che mostravano l'ora apparente, gli orologi meccanici passavano all'ora media.
Il fatto è che il movimento orbitale della Terra intornoIl sole porta a una durata della giornata irregolare. L'ora solare apparente utilizza come definizione di giorno il tempo compreso tra i due momenti in cui la nostra stella è allo zenit. In questo caso, le parti frazionarie (ore e minuti) vengono determinate in base al movimento del Sole.
Infatti, se misurato in base asistemi alternativi, ad esempio il numero di movimenti del pendolo in un orologio meccanico, si scopre che la durata di tali giorni è diversa. La lunghezza di un giorno solare varia nel corso dell'anno e l'effetto cumulativo provoca deviazioni stagionali fino a 16 minuti dalla media.
Apparvero i primi orologi che mostravano i secondiseconda metà del XVI secolo. Il primo orologio primaverile conosciuto con lancetta dei secondi: datato intorno al 1560–1570. Allo stesso tempo, tutti i primi analoghi non erano sufficientemente accurati.
Nel 1656, lo scienziato olandese Christiaan Huygensinventò il primo orologio a pendolo. Aveva un pendolo lungo poco meno di un metro, che gli dava un'oscillazione di un secondo, e un meccanismo di innesco che ticchettava ogni secondo. Si ritiene che questo sia stato il primo orologio in grado di mostrare con precisione il tempo in secondi.
Orologio da tasca Henlein, inizi del XVI secolo. Immagine: Museo Nazionale Germanico
Da una frazione di giorno alla rotazione orbitale della Terra e alle misurazioni atomiche
Entro la fine del XIX secolo, l'accuratezza della misurazione dei secondiraggiunsero altezze tali da costituire la base del sistema metrico internazionale della ISS, fissato dalla Conferenza generale su pesi e misure nel 1889. Il metro è stato approvato come unità di base della lunghezza, il chilogrammo per il peso e il secondo per il tempo. Quest'ultimo è stato definito come 1/86400 del giorno solare medio.
Dall'orbita della Terra attorno al Solepiù stabile della rotazione di un pianeta attorno al proprio asse, questa definizione venne successivamente modificata ed espressa in termini di frazione di anno: 1 ⁄ 31.556.925,9747 di anno. Allo stesso tempo, per ridurre ulteriormente l'incertezza, è stata utilizzata una scala temporale delle effemeridi, calcolata in base alla posizione delle orbite di pianeti e stelle nel 1900.
Nel 1967, dopo decenni di ricerca,gli scienziati hanno abbandonato il metodo di rotazione della Terra e ridefinito il tempo, misurando invece i movimenti delle particelle all'interno di un atomo. In particolare, l'attuale definizione utilizza la risonanza di frequenza naturale del cesio-133 per il calcolo. Da quel momento in poi, il secondo è determinato da un valore numerico fisso della frequenza delle vibrazioni dell'atomo di cesio.
Come funziona il tempo atomico?
Le prime scale temporali atomiche erano costituite daorologi al quarzo con frequenze calibrate utilizzando solo orologi atomici. Si basano su un sistema di atomi che può trovarsi in uno dei due possibili stati energetici.
Un gruppo di atomi in uno stato subisceradiazione a microonde. Se la radiazione ha la giusta frequenza, un certo numero di atomi si sposterà in uno stato energetico diverso. Quanto più la frequenza è vicina alla frequenza di vibrazione naturale degli atomi, tanto più gli atomi cambieranno stato.
Ciò consente una sintonizzazione della frequenza molto precisa.radiazione a microonde. Una volta che la radiazione a microonde è sintonizzata su una frequenza nota, può essere utilizzata come generatore di temporizzazione per misurare il tempo trascorso.
Il tempo atomico internazionale èuna media ponderata nel tempo di oltre 450 orologi atomici in più di 80 laboratori nazionali in tutto il mondo. Questo approccio ci consente di evitare distorsioni associate alla dilatazione gravitazionale del tempo.
Le ore in diverse istituzioni vengono regolarmente confrontatetra loro utilizzando comunicazioni satellitari e GPS. Il Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Francia) combina queste misurazioni per calcolare una media ponderata retrospettiva che costituisce la scala temporale più stabile possibile.
Il primo orologio atomico al mondo. Immagine: National Physical Laboratory, dominio pubblico, tramite Wikimedia Commons
Cosa vogliono cambiare?
L'ulteriore sviluppo della tecnologia consente ancora di piùmigliorare ulteriormente la precisione della misurazione. Ad esempio, in alternativa al classico orologio al cesio, i fisici suggeriscono di utilizzare un orologio ottico. Questi orologi utilizzano il "ticchettio" di frequenza più elevata di elementi come lo stronzio e l'itterbio, consentendo loro di scomporre il tempo in blocchi ancora più piccoli.
La difficoltà finora sta nel fatto che il funzionarioil tempo non può essere generato utilizzando solo gli orologi. I metrologi devono fare la media delle letture di centinaia di ore in tutto il mondo. Per gli orologi al cesio, il tempo può essere trasmesso utilizzando segnali a microonde, ma tale radiazione ha una frequenza troppo bassa per trasmettere il ticchettio di un orologio ottico.
Al contrario, la trasmissione di segnali attraverso l'aria aLe lunghezze d'onda ottiche non sono semplici come l'invio di microonde perché le molecole nell'aria assorbono facilmente la luce, riducendo drasticamente la potenza del segnale. Inoltre, la turbolenza può dirigere il raggio laser lontano dal bersaglio.
Tuttavia, i cambiamenti in questa direzione sonoprogressi, ad esempio, recentemente scienziati cinesi hanno presentato i risultati del loro lavoro sulla sincronizzazione degli orologi ottici a una distanza di 117 km. Questo è sette volte il record precedente. Un ulteriore sviluppo in questa direzione contribuirà a migliorare l'accuratezza della determinazione del secondo di 100 volte o più.
Con decisione della Conferenza dei Pesi e delle Misurei partecipanti sono incoraggiati a continuare a sviluppare metodi alternativi per misurare e sincronizzare il tempo. Sulla base di essi, entro la prossima riunione del 2026 verranno formulate proposte per un nuovo standard e un periodo di transizione.
Orologio atomico ottico con itterbio. Immagine: NIST
Secondo intercalare
Se questa è ancora una questione del nuovo standardpoche incertezze, poi viene finalmente accettata un'altra modifica che riguarderà gli standard provvisori. Già nel 2035 il mondo dovrebbe abbandonare i secondi intercalari.
Il punto è che nel passaggio alla misurazione precisatempo basato su orologi atomici, gli scienziati hanno scoperto che il giorno medio non è uguale a 86.400 secondi standard. La differenza è solo di pochi millisecondi, ma si accumula nel tempo.
La soluzione erano i secondi intercalari:a fine dicembre o giugno sono state applicate correzioni di un secondo su base ad hoc. Le modifiche sono state pianificate per garantire che il sistema di cronometraggio che utilizziamo, il Tempo Coordinato Universale (UTC), non differisca mai di più di 0,9 secondi dal tempo atomico.
Poiché tali modifiche erano una tantumcarattere, i secondi "intercalari" hanno creato grandi difficoltà per i sistemi software, energetici e satellitari. Innanzitutto, è difficile prevedere esattamente quando sarà necessario il secondo intercalare successivo, quindi gli sviluppatori di programmi non possono prepararsi per inserimenti ordinati e regolari. Pertanto, varie reti hanno sviluppato i propri metodi incoerenti per includere il secondo intercalare.
Inoltre, l'informatica globale modernai sistemi sono diventati più strettamente interconnessi e più dipendenti da tempi estremamente accurati, a volte fino a miliardesimi di secondo. L'aggiunta di un secondo in più aumenta il rischio che i sistemi responsabili delle reti di telecomunicazioni, della trasmissione di energia, delle transazioni finanziarie e di altre attività vitali falliscano o non si sincronizzino.
Per evitare questo problema, gli scienziati hanno adottatouna decisione di eliminare gradualmente questi inserti dal 2035. Dal 1972, negli ultimi 50 anni, la differenza tra UTC e tempo atomico internazionale è stata di soli 37 s, con 10 s aggiunti subito e altri 27 s inseriti successivamente. Gli scienziati propongono di fissare la differenza che si accumulerà entro il 2035 e di non cambiarla almeno per i prossimi 100 anni.
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