Le scale di tempo e il secondo intercalare
Non un'unità di misura ma tre scale: UTC, TAI e UT1 · grandezza: un istante
Il trentuno dicembre 2016 gli orologi del Servizio internazionale di rotazione terrestre segnarono le 23 ore 59 minuti 60 secondi — un'ora che in un giorno comune non esiste. Il secondo fu inserito perché a quel giorno la Terra era rimasta indietro di quasi sei decimi di secondo rispetto agli orologi atomici e, senza l'inserimento, la divergenza avrebbe superato la soglia fissata per convenzione. Da allora non vi è stato più alcun inserimento: il pianeta ha inaspettatamente accelerato, e si discute ormai sul serio l'operazione inversa — un secondo che occorrerà non aggiungere, ma togliere.
Ci si raccapezza soltanto distinguendo tre cose che il parlare comune chiama con una sola parola, «tempo». TAI è la scala atomica, che procede uniforme senza badare al pianeta; UT1 è l'angolo di rotazione della Terra stessa, cioè un fenomeno astronomico con un carattere suo; UTC infine è la scala del compromesso: procede in secondi atomici, ma di quando in quando riceve un secondo intero inserito, per non allontanarsi dal pianeta più di nove decimi di secondo. La prima non ammette regolazione, la seconda non ammette previsione, e la terza è fissata per decisione di un comitato e stampata in un bollettino.
01 · Definizione
Il Tempo atomico internazionale TAI si compone delle indicazioni di circa duecentocinquanta orologi atomici sparsi nei laboratori nazionali e procede in secondi SI senza una sola correzione. Il Tempo universale UT1 è dato dall'angolo di rotazione della Terra e muta perciò andatura insieme al pianeta. Il Tempo universale coordinato UTC differisce dal TAI di un numero intero di secondi e si tiene presso UT1 mediante inserimenti annunciati dal Servizio internazionale di rotazione terrestre.
L'intento di UTC è unire l'inconciliabile: il suo secondo è atomico, uniforme, buono per la fisica e per le telecomunicazioni, mentre la sua indicazione è astronomica, legata al giorno e alla notte. L'unione si paga con una rottura: ogni pochi anni entra nella scala un secondo in più, il minuto contiene allora sessantun secondi, e la marca 23:59:60 diventa legittima. Perciò UTC è l'unica delle tre scale ad avere istanti che il computo comune dei giorni non sa esprimere.
La soglia oltre la quale si dispone un inserimento vale nove decimi di secondo in valore assoluto, e non poggia su ragioni fisiche ma su un compromesso fra astronomi e ingegneri delle telecomunicazioni, concluso nel 1972. Il servizio segue la differenza UT1 − UTC con la radiointerferometria e con osservazioni satellitari, e pubblica la sua decisione nel Bollettino C — due volte l'anno, mezzo anno prima della data possibile, che cade alla fine di giugno oppure alla fine di dicembre.
UTC non si può verificare con alcuno strumento, poiché un valore vero non ce l'ha affatto: TAI si comporta come un'unità, UT1 come un fenomeno, UTC come una convenzione, e la sua indicazione si annuncia, non si misura. Il proprio orologio, invece, si può confrontare con essa al nanosecondo, perché i bollettini del servizio indicano di quanto l'indicazione di ciascuna scala nazionale si scosta da quella convenuta.
La scala a gradini in alto è lo scarto TAI − UTC, che cresce per secondi interi; la sega in basso è la differenza UT1 − UTC, che scende insieme alla Terra rimasta indietro e risale di un secondo a ogni inserimento. I tratti rossi in basso segnano la soglia di nove decimi: appena la sega vi si accosta, il servizio dispone un nuovo inserimento e le due linee fanno il loro passo insieme.
La linea tratteggiata è la scala atomica, dove ogni secondo è uguale al precedente; la linea ondulata è la rotazione della Terra, frenata dall'attrito delle maree e insieme vagante perché acqua e aria si ridistribuiscono, e persino a causa dei moti nel nucleo liquido. I tratti rossi sono i momenti in cui il servizio ha dovuto intervenire. Proprio perché la seconda linea è imprevedibile, gli inserimenti non si possono annunciare con un decennio d'anticipo: si dispongono mezzo anno prima, in base alle osservazioni.
02 · Conversione
Uno stesso istante in scale diverse
Immettete un istante in una qualsiasi forma consueta — anno decimale, data giuliana, computo dei secondi dall'inizio dell'epoca Unix — e la scheda mostrerà come quello stesso istante si legga nelle altre scale e quali scarti valessero in quel giorno.
I passaggi fra le scale atomiche sono esatti al nanosecondo, poiché fissati da costanti: TT differisce dal TAI di 32,184 s, e la scala GPS di esattamente 19 s. Solo la riga di UT1 è approssimata: si prende dal Bollettino A e, per l'avvenire, è data come previsione.
Il computo dei secondi nella norma POSIX è fatto in modo che il giorno ne abbia sempre esattamente 86 400, e un secondo inserito non trova lì con che esprimersi: il sistema o ripete due volte la stessa indicazione o riporta indietro l'orologio. Per questa minuzia, nel giugno del 2012 caddero i server di metà dei grandi servizi, e da allora diverse aziende stirano il secondo in più su un giorno intero, spalmandolo in strato sottile sui propri orologi.
| Valore | Nota | ||
|---|---|---|---|
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03 · Ordini di grandezza
scala logaritmica: dal nanosecondo alle cinque ore04 · Strumenti di misura
Con che si reggono e con che si verificano le scale
Una nube di atomi raffreddati viene lanciata verso l'alto e attraversa due volte lo stesso risonatore — nella salita e nella caduta —, il che permette di misurare la frequenza della transizione fino alla sedicesima cifra. Tali campioni primari fissano la lunghezza del secondo e non conservano indicazione dell'ora: si accendono per qualche giorno per verificare la marcia degli altri orologi.
Il maser tiene la frequenza assai più uniforme della fontana su intervalli da un'ora a un giorno, ma deriva lentamente di lato, e perciò nei laboratori serve da custode della scala e non da campione di frequenza: la sua marcia si confronta ogni pochi giorni con un campione primario. Sono i maser a dare quell'indicazione continua con cui poi si compone il TAI.
Due antenne in continenti diversi ricevono il rumore di uno stesso quasar, e la differenza nei tempi d'arrivo del segnale tradisce l'orientamento della Terra rispetto a sorgenti lontane. È così che si misura UT1, poiché con nessun orologio si può conoscere l'angolo di rotazione del pianeta — lo si può soltanto osservare, e il servizio lo fa ininterrottamente.
Ogni satellite porta a bordo orologi atomici, e un ricevitore che abbia captato quattro segnali ricava non solo il proprio luogo ma anche l'ora con l'esattezza di decine di nanosecondi. La scala trasmessa è però propria: il sistema GPS non ha inserimenti di sorta, sta esattamente a diciannove secondi dal TAI, e la differenza corrente con UTC viaggia in un campo a parte del messaggio del satellite.
05 · Regole di scrittura
Una marca temporale senza la sua scala non è una marca
I nomi delle scale si scrivono in maiuscole, senza punti e senza spazi interni, e all'indicazione si aggiunge sempre in quale scala essa sia presa: la lettera Z oppure uno scarto nella scrittura della norma ISO 8601, una menzione a parte di TAI o GPS se l'ora è atomica. Le differenze fra scale si scrivono col segno e in secondi, mettendo per prima quella da cui si sottrae.
La prima scrittura è impossibile perché l'inserimento si fa alla fine del giorno in UTC, mentre nel fuso di Mosca quello stesso istante cade alle tre di notte e la marca risulta 02:59:60. La seconda pone un segno di uguaglianza fra la scala e il tempo medio storico del meridiano di Greenwich, da tempo fuori uso in metrologia. La terza confonde il verso della sottrazione: la scala atomica va avanti, non indietro. La quarta poi non può comparire in un bollettino affatto, poiché il servizio è tenuto a inserire un secondo molto prima che la differenza raggiunga un tale valore.
06 · Scale vicine
Accanto stanno tutte le scale che contano lo stesso tempo da altre origini o in un altro sistema di riferimento: il tempo terrestre TT, con cui si calcolano le effemeridi, la scala atomica dei sistemi satellitari e il tempo-coordinata baricentrico, che tiene conto del fatto che gli orologi sulla Terra non vanno come al centro di massa del Sistema solare.
senza inserimenti né correzioni
un fenomeno osservato
la scala delle effemeridi
Fra le schede di Simetrium stanno accanto secondo, che dà l'unità a tutte e tre le scale, giorno e ora, dove la stessa irregolarità della rotazione si vede da un altro lato, e computo degli anni, in cui non differiscono le unità ma le origini.
07 · Sezione storica
Il secondo che prima si inventò e ora si abolisce
Louis Essen e Jack Parry montarono al National Physical Laboratory il primo orologio al cesio e scoprirono una cosa spiacevole: lo strumento si rivelò più stabile di ciò con cui intendevano verificarlo. Da quel momento la Terra cessò di essere il campione del tempo e divenne oggetto di osservazione, e otto anni dopo il secondo fu ridefinito attraverso la frequenza della transizione del cesio.
La prima versione di UTC si adattava alla Terra in altro modo: una volta l'anno si annunciava una correzione della frequenza stessa, sicché il secondo della scala differiva di proposito dal secondo SI, e per giunta di quando in quando si spostava l'indicazione di qualche decimo. Ai naviganti andava bene, ai fisici no, e si rinunciò al secondo elastico riconoscendo che una rottura rara vale più di un'unità costantemente falsa.
Dal primo gennaio 1972 UTC procedette in secondi SI uniformi, restando esattamente dieci indietro rispetto alla scala atomica, e ottenne il diritto agli inserimenti. La soglia di nove decimi di secondo fu scelta come via di mezzo fra le esigenze dei marinai, cui serviva un aggancio astronomico, e quelle degli ingegneri delle telecomunicazioni, cui serviva la continuità.
La ventisettesima Conferenza generale dei pesi e delle misure ha deliberato di portare la soglia a zero, cioè di rinunciare agli inserimenti, entro il 2035 al più tardi. La ragione non sta nella comodità dei programmatori, ma nel fatto che la Terra ha preso ad accelerare: dal 2020 i primati di giornate corte sono stati battuti più volte, e al posto del consueto inserimento potrebbe occorrere per la prima volta togliere un secondo — e a ciò non è pronto alcun sistema al mondo.
Una scala la cui indicazione si annuncia e non si misura
Ogni grandezza di questo catalogo ha uno strumento capace di dire quanto essa valga, e soltanto UTC un tale strumento non l'ha e non lo può avere. Gli orologi atomici misurano intervalli, gli interferometri misurano la rotazione della Terra, mentre la questione se inserire un secondo alla fine di giugno la decidono degli uomini e la stampano in un bollettino, perché la soglia di nove decimi di secondo è questione di convenzione e non di natura. Di qui una proprietà singolare: lo scarto da UTC di qualsiasi orologio del pianeta è noto al nanosecondo, mentre la correttezza di UTC stessa non ha nulla con cui essere verificata — è corretta per definizione.
La natura convenzionale della scala si è rivelata al meglio nella preparazione della sua abolizione. Si è deciso di togliere gli inserimenti non perché si fosse imparato a misurare più finemente la rotazione del pianeta, ma perché il prezzo della rottura è cresciuto: le marche temporali di borsa, la navigazione satellitare e le reti di telecomunicazione soffrono per un secondo in più più di quanto i marinai soffrirebbero per una divergenza dal sole. Quando la soglia sarà portata a zero, UTC smetterà di rincorrere la Terra e se ne allontanerà dapprima di un minuto per secolo e poi di più — e che cosa fare di tale divergenza lo decideranno ormai le generazioni venture.
Catalogo · unità di misura
Una scheda per ogni grandezza
Sette unità di base del SI, ventidue derivate con nome proprio e grandezze fuori sistema senza le quali non funzionerebbero né la tecnica né il calendario.