TEMPO

TEMPO (XXXIII, p. 474)

Misura del tempo (XXXIII, p. 476). - Evoluzione nella definizione dell'unità di misura del tempo. - Nell'ultimo trentennio i progressivi sviluppi dell'elettronica hanno prodotto una radicale trasformazione nella strumentazione per la misura e la conservazione del t.; questa evoluzione tecnica ha avuto conseguenze così gravi e profonde, da giungere a imporre una revisione nella definizione dell'unità stessa di misura del tempo. Il processo evolutivo, che è ancora in atto e del quale non è facile anticipare la conclusione ultima, è stato determinato essenzialmente dall'introduzione degli orologi a quarzo, campioni di frequenza a oscillatore piezoelettrico, e degli orologi atomici, orologi a quarzo controllati da campioni di frequenza a risonanza atomica.

Gli orologi a quarzo sono nati e si sono sviluppati nel decennio che ha preceduto la seconda guerra mondiale. Già alla vigilia di questa essi avevano raggiunto un elevato grado di perfezionamento e si era affermata la loro netta superiorità sui pendoli astronomici (XXV, p. 593), quali mezzi atti a mantenere con maggior precisione e più a lungo una scala uniforme di tempo. Gli orologi sono infatti strumenti di conservazione del t. negli intervalli tra le osservazioni di posizione degli astri, il cui moto è ancora, come nei tempi più remoti, il fenomeno al quale ci si riferisce per definire lo scorrere del t.; ma gli orologi sono anche mezzi di interpolazione e di regolarizzazione dei risultati delle osservazioni stesse, tanto più efficaci quanto maggiore è la loro uniformità di marcia e quanto più esteso è il periodo di osservazioni astronomiche al quale questa viene riferita. Con i migliori orologi a quarzo si hanno ora valori dell'irregolarità di marcia dell'ordine di una parte su 10¹⁰ per alcune settimane o per qualche mese, cioè circa cento volte meno che con i pendoli.

Per ottenere cifre di prestazione così alte, gli orologi a quarzo devono essere costruiti e fatti funzionare con cure molto particolari. Essi sono schematicamente costituiti da un oscillatore piezoelettrico a quarzo (v. in questa App., III, p. 331), generalmente sulla frequenza di 100 kHz; l'oscillazione del quarzo viene demoltiplicata in frequenza mediante una catena di divisori elettronici di frequenza; a questa segue il dispositivo integratore, o orologio propriamente detto, che generalmente è un motorino elettrico sincrono a 1000 Hz azionante, attraverso adatti rotismi, lancette indicatrici; sono anche usati dispositivi integratori e indicatori di tipo elettronico. Il quarzo ha forma di sbarretta o, meglio ancora (L. Essen), di anello; negli ultimi anni sono stati anche provati, con ottimi risultati, quarzi di forma lenticolare oscillanti su frequenze di 1 o più MHz. Il quarzo è generalmente nel vuoto (fig. 1) ed è posto in una celletta termostatica, con temperatura costante al centesimo o al millesimo di grado; inoltre, i quarzi e i più delicati degli annessi circuiti elettrici sono posti in camere sotterranee a temperatura costante e sistemati su pesanti basi sospese elasticamente, per essere al riparo dalle vibrazioni sismiche (fig. 2).

L'accresciuta regolarità di marcia degli orologi a quarzo rispetto agli orologi a pendolo, ha portato la necessità di estendere a periodi di t. maggiori il confronto tra orologi e osservazioni astronomiche. Con un calcolo grossolano, considerando che vi sono circa 10⁵ secondi in un giorno e ponendo che sia di 10 millisecondi l'errore medio nella determinazione del t. fornita da una nottata di osservazioni, si vede che con una coppia di determinazioni occorre che queste siano distanziate tra loro di 100 giorni per potere effettuare il controllo dell'orologio con un'approssimazione dell'ordine di una parte su 10⁹. Per raggiungere un'approssimazione dieci volte maggiore, cioè dell'ordine di una parte su 10¹⁰, occorrono cento coppie di notti di osservazioni, che occupano ovviamente un periodo di molti mesi, durante i quali la marcia dell'orologio dovrebbe rimanere perfettamente uniforme, o almeno variare con andamento noto.

Accade invece che per periodi di tempo assai lunghi anche gli orologi a quarzo non diano sufficiente garanzia di mantenere le cifre di regolarità sopra citate, a causa del fenomeno di "deriva" da cui essi sono generalmente affetti. Questo fenomeno consiste in una progressiva variazione di frequenza del quarzo, solitamente in aumento: le cause di essa non sono ben chiare e forse sono molteplici, ma principalmente sembrano essere in relazione con difetti (dislocazioni, impurità) nella struttura cristallina del quarzo. La deriva, in generale, va lentamente attenuandosi con l'invecchiamento del quarzo in oscillazione. Nei quarzi "campione" essa è estremamente piccola, e precisamente dell'ordine di una parte su 10¹⁰ o su 10¹¹ per giorno; tuttavia, accumulandosi l'effetto giorno per giorno, si determinano progressivamente notevoli variazioni della frequenza. La diversità della deriva da quarzo a quarzo e le irregolarità che a volte si manifestano in essa rendono inoltre difficile e incerta un'accurata previsione dell'andamento dell'orologio per lunghi periodi di tempo.

La recente realizzazione di campioni di frequenza a risonanza atomica ha permesso di controllare e quindi di correggere l'effetto di deriva degli orologi a quarzo.

La prima applicazione dei fenomeni di risonanza molecolare e atomica per attuare un campione di frequenza è stata fatta nel 1948 da H. Lyons del National bureau of standards americano: fu sfruttata, con un metodo di risonanza per assorbimento, la frequenza di inversione della molecola di ammoniaca (23.870.129 kHz) per asservire in frequenza un oscillatore a quarzo. L'apparecchio era stato progettato come orologio, ma era molto delicato e non consentiva un lungo funzionamento continuo; d'altra parte, per alcuni difetti intrinseci che ne limitano seriamente la precisione, il metodo per assorbimento è stato in seguito abbandonato.

Lo sfruttamento della risonanza dell'ammoniaca è stato ripreso col metodo che è alla base del funzionamento degli amplificatori a fascio molecolare (v. in questa App., I, p. 90). Apparecchiature di questo tipo sono state costruite e messe in funzione negli S. U. A., nell'URSS e in Svizzera, avvalendosi di tecniche complesse e raffinate e anche usando l'isotopo N¹⁵H₃: sono state raggiunte cifre di instabilità relativa dell'ordine di una parte su 10¹¹ e una ripetibilità nel valore della frequenza entro una parte su 10¹⁰ nell'ambito di un singolo laboratorio, ma non si hanno ancora dati sicuri sul grado di accordo tra apparecchi costruiti con tecniche diverse nei varî laboratori.

Più larga affermazione pratica ha avuto lo sfruttamento della risonanza dell'atomo di cesio sulla frequenza di 9.192.632 kHz, che richiede apparecchiature più semplici e di più facile uso. La tecnica usata è quella che era stata sviluppata per la spettroscopia a microonde (v. in questa App.), affinata e perfezionata per lo scopo specifico di creare un campione molto preciso di frequenza. Secondo la forma di attuazione più recente, quest'apparecchio è costituito da un lungo recipiente cilindrico ad alto vuoto, nel quale una minuscola caldaia a (fig. 3), contenente cesio metallico alla temperatura di circa 80 °C, produce un sottile fascetto di atomi di cesio; questi vengono deviati, secondo determinate traiettorie, mediante una coppia di forti magneti b ed e, e il fascetto si concentra su un rivelatore f quando gli atomi sono eccitati sulla loro frequenza di risonanza dal campo elettromagnetico a radiofrequenza prodotto da un generatore d in due cavità risonanti c₁ e c₂ che il fascetto attraversa. L'apparecchio è dunque essenzialmente un risonatore, perché rivela quando la frequenza del campo elettromagnetico, che può essere variata con estrema finezza agendo su d, coincide con la frequenza di risonanza del cesio. Questa tecnica, sfruttata per la prima volta da P. Kusch del National bureau of standards americano, è stata ripresa da L. Essen e J. V. L. Parry presso il National physical laboratory inglese, i quali hanno realizzato nel 1955 un eccellente risonatore a cesio (fig. 4).

Successivamente, altri apparecchi di identico principio sono stati messi in funzione in Canada, Svizzera e nella stessa Inghilterra, mentre altri ancora sono in costruzione presso laboratorî di varie nazioni; in particolare, un apparecchio del genere è in costruzione presso l'Istituto elettrotecnico nazionale a Torino. Accanto a questi, che sono strumenti scientifici da laboratorio con tutte le caratteristiche di campioni primarî di frequenza, è stata realizzata con successo negli S. U. A. una versione a carattere commerciale del dispositivo, denominata "Atomichron". In essa la risonanza del cesio è sfruttata per controllare e asservire la frequenza di un oscillatore a quarzo su 5 MHz, il quale, attraverso moltiplicatori e divisori di frequenza elettronici, fornisce varie frequenze campione tra 100 kHz e 100 MHz.

Non si hanno ancora cifre sicure e definitive sull'accordo raggiungibile tra i campioni al cesio costruiti nei varî laboratorî, dato che si tratta di apparecchiature stazionarie e che grandi sono le difficoltà dei confronti molto precisi a distanza. Confronti diretti effettuati presso il National physical laboratory tra due Atomichron e il risonatore di Essen e Parry hanno denunciato un accordo entro 2 0 3 parti su 10¹⁰. È probabile che tra apparecchi prettamente da laboratorio, più accuratamente controllabili, si possa raggiungere un accordo ancora migliore, almeno entro una parte su 10¹⁰.

L'associazione di un gruppo di campioni a quarzo con un risonatore al cesio, il quale consenta di controllare e correggerne periodicamente la frequenza di quelli, costituisce quel che oggi si indica come orologio atomico e rappresenta quanto di meglio si conosca per attuare una scala uniforme di tempo.

Già con l'uso di orologi a quarzo come termini di riferimento per le osservazioni astronomiche sono apparse in chiara evidenza le fluttuazioni annuali della velocità di rotazione della Terra, dovute a variazioni del suo momento di inerzia.

La variazione per il periodo di rotazione della Terra è di qualche millisecondo da estate a inverno; essa ha un andamento piuttosto complesso, che tuttavia si ripete abbastanza regolarmente di anno in anno, cosicché è possibile prevederla approssimativamente, per estrapolazione, con un certo anticipo. Il servizio di determinazione e previsione di queste fluttuazioni stagionali è centralizzato presso il Bureau International de l'Heure (B. I. H.), di Parigi.

Un'altra fonte di irregolarità nelle osservazioni astronomiche di t. sta nel continuo spostamento dell'asse di rotazione terrestre rispetto alla Terra stessa, ossia nello spostamento del Polo, che lentamente si muove secondo spire irregolari entro tm cerchio di circa 15 metri di raggio.

Lo studio accurato del movimento del Polo è svolto dal Servizio internazionale delle latitudini mediante alcuni centri di osservazione coordinati; ma ai fini delle correzioni per le determinazioni del t. v'è anche un servizio rapido di rilievi, centralizzato presso il B. I. H.

La constatazione di queste due cause di irregolarità nelle determinazioni astronomiche di t. ha indotto l'Unione astronomica internazionale ad adottare nel settembre 1955 (riunione di Dublino), una risoluzione per una nuova definizione del Tempo universale, cioè del tempo solare medio per il meridiano fondamentale di Greenwich. È stata così adottata la seguente nomenclatura: T. U, 0, t. universale non corretto; T. U. 1, t. unìversale corretto per l'effetto dello spostamento osservato del Polo; T. U. 3, t. universale corretto per l'effetto dello spostamento osservato del Polo e per quello previsto della variazione stagionale nella velocità di rotazione della Terra.

Mentre la correzione per la variazione di velocità è identica per tutti i punti della superficie terrestre, quella per lo spostamento del Polo è diversa da punto a punto.

Come esempio, si riportano nella fig. 5 le curve di correzione per lo spostamento del Polo (curva P. V.) e quella per la fluttuazione annuale della velocità di rotazione (curva A. F.), assunte nel 1958 per l'osservatorio di Herstmonceux Castle (nuova sede del Royal Greenwich Observatory).

Ulteriori progressi nella conoscenza delle irregolarità del moto di rotazione terrestre si sono avuti a partire dal 1955, con l'attuazione dei primi orologi atomiti. È stata così confermata l'esistenza di altre variazioni irregolari della velocità di rotazione della Terra, già sospettate in precedenza.

Nella fig. 6 sono mostrati i risultati ottenuti tra il 1955 e il 1958 con un programma di ricerche svolto in collaborazione tra il National physical laboratory inglese di Teddington e l'U. S. Naval observatory di Washington. Come si vede, si tratta del valore della frequenza di risonanza del cesio, ν_u, misurata con riferimento al t. T. U. 2.; poiché la frequenza di risonanza del cesio dev'essere in realtà ritenuta costante, si deve pensare che la velocità di rotazione della Terra sia andata progressivamente calando dal luglio 1955 al dicembre 1957, con una decelerazione media di 5 parti su 10⁹ per anno (circa 50 volte maggiore del rallentamento che si calcola sia causato dall'attrito delle maree). Si sospetta che queste irregolarità di rotazione abbiano periodo di 5 0 10 anni, ma l'esperienza di rilievi sicuri al riguardo è ancora troppo limitata per poter fare ipotesi sulle cause del fenomeno e avanzare previsioni sul suo andamento.

In conseguenza della scoperta di tutte queste irregolarità nel moto di rotazione della Terra, la definizione che identifica l'unità di misura del t. col secondo di t. solare medio, assunto come la 86400^ma parte del giorno solare medio, è divenuta troppo incerta. Perciò nell'ottobre del 1956 il Comité international des poids et mesures ha adottato una nuova definizione dell'unità fondamentale di t., già proposta nel 1954 e basata sul periodo del moto orbitale della Terra attorno al Sole (anno tropico), anziché sul periodo della rotazione terrestre. Precisamente, poiché anche l'anno tropico non è costante ma, secondo i calcoli di S. Newcombe, diminuisce di circa 0,53 secondi ogni secolo, si è dovuto fare riferimento a un particolare anno tropico, e il secondo è stato definito come la frazione 1/31.556.925,9747 dell'anno tropico centrato sulle ore 12 del tempo delle effemeridi del 1° gennaio 1900.

La dizione "t. delle effemeridi" (simbolo: T. E.) allude a una scala uniforme e costante di t., presa a base per le effemeridi che forniscono le coordinate dei diversi astri calcolate mediante le equazioni della meccanica celeste.

La prima determinazione della frequenza di risonanza del cesio in base alla nuova unità fondamentale di t. è stata effettuata dallo U. S. Naval observatory tra il 1955 e il 1958, in collaborazione con il National physical laboratory inglese, confrontando la marcia di orologi atomici al cesio con osservazioni del moto orbitale della Luna attorno alla Terra, secondo le effemeridi calcolate sulla base della teoria di E. Brown sul moto della Luna, ulteriormente perfezionata. Ne è risultato per la frequenza di transizione (4,0) Á → (3,0) del cesio in campo magnetico nullo, il valore ν_u = 9 192 631 770 ± 20 cicli al secondo (di T.E.). Occorreranno parecchi anni prima che si possa ottenere una nuova determinazione di precisione considerevolmente migliore e perciò questo è il valore ora universalmente adottato.

V'è attualmente una tendenza nei fisici a sottrarre al campo dell'astronomia la definizione dell'unità fondamentale di t., vincolandola definitivamente a una determinata frequenza di risonanza atomica, per es. a quella del cesio. Indubbiamente questa tendenza ha guadagnato terreno negli ultimi anni ma non si può ancora prevedere se e quando il Comité international des poids et mesures potrà prendere la decisione di un cambiamento così radicale.

Progressi negli strumenti per la determinazione astronomica del tempo. - Nel campo dei mezzi di osservazione della posizione degli astri, il classico "strumento dei passaggi" con micrometro impersonale a fìlo mobile (XXIII, p. 214) continua ad essere lo strumento tipico per le determinazioni di t. nella maggior parte degli osservatorî.

Due nuovi strumenti si sono affermati negli ultimi anni: il tubo fotografico zenitale e l'astrolabio prismatico impersonale di A. Danjon. Il primo è un nuovo tipo di telescopio zenitale (XXXV, p. 919), fotografico, di grande precisione; esso è già in uso corrente presso i maggiori osservatorî specializzati per le misure di t. (Washington, Richmond in Florida, Ottawa, Tokyo, Neuchâtel, Greenwich). L'astrolabio di Danjon è uno strumento adatto per osservazioni simultanee di latitudine e di t., del quale peraltro sinora si ha notevole esperienza solo presso l'osservatorio di Parigi, dove esso è stato creato. Si deve aggiungere la camera fotografica lunare di W. Markowitz, usata per mettere in relazione il Tempo Universale col Tempo delle Effemeridi mediante determinazioni fotografiche di posizione della Luna rispetto alle stelle circostanti.

Non è facile indicare dati certi di raffronto sulle precisioni ottenibili con i varî tipi di strumenti: le cause di errore sono molte, si presentano variamente e a volte agiscono sistematicamente su gruppi di osservazioni più o meno estesi nel tempo. Per un ottimo strumento di passaggi con micrometro impersonale è indicato uno scarto quadratico medio da 10 a 25 millesecondi, per una singola determinazione di tempo con 10 o 12 stelle. Per l'astrolabio di Danjon si parla di uno scarto quadratico medio non maggiore di 10 millisecondi per una singola determinazione con circa 20 stelle. Per i tubi fotografici zenitali americani sono stati rilevati errori quadratici medî ancora minori, dell'ordine di 9 millisecondi per una singola determinazione con circa 15 stelle.

Progressi nei metodi di trasporto del tempo. - L'evoluzione dei sistemi di determinazione e conservazione del t. ha portato con sé anche un progresso dei metodi di trasporto del t., cioè di trasmissione e di confronto a distanza dei valori del tempo. A questo problema i radiocollegamenti hanno dato la soluzione ideale in moltissimi casi, ma già si è ai limiti delle possibilità e si incontrano difficoltà gravi nel confronto delle determinazioni, ai livelli delle più alte precisioni che i laboratorî riescono ora a ottenere dai campioni.

Dopo la seconda guerra mondiale, alla vecchia rete mondiale di stazioni emittenti segnali orarî, a poco a poco un'altra se ne è aggiunta (fig. 7), con segnali di forma nuova e di precisione molto maggiore, sulla traccia della prima stazione emittente frequenze e segnali di t. campione, la stazione WWV sorta presso Washington durante la guerra. Questo servizio si svolge principalmente su frequenze di 2,5; 5; 10; 15 e 20 MHz, con orario continuo per alcune stazioni (WWV, Washington; WWVH, Hawaii; MSF, Rugby; HBN, Neuchâtel; JJY, Tokyo), intermittente per altre. L' italia contribuisce con le emissioni a orario limitato su 5 MHz delle stazioni IBF (Ist. elet. naz., Torino) e IAM (Ist. Sup. PP. TT., Roma). La precisione delle frequenze è di qualche unità su 10⁹ e la stabilità dei segnali orarî è tale che ha significato darne le correzioni al decimillesimo di secondo. Già si è progettata la sincronizzazione dei segnali di tempo americani (WWV) e inglesi (MSF) al millesimo di secondo e si parla dell'opportunità di spingere l'accuratezza della sincronizzazione delle varie emissioni al decimo di millisecondo e oltre.

Un ruolo importante in questi confronti di t. e di frequenze a grandi distanze è tenuto dalle emissioni di radiofrequenze campione molto basse, come quelle della stazione MSF su 60 e 16 kHz, e delle stazioni DCF (Mainflingen), KK2XEI (Boulder) e NBA (Canal Zone) su 18 kHz. Queste radioemissioni su onde lunghissime sono meno soggette delle emissioni su onde corte alle irregolarità della propagazione e hanno reso eccellenti servigi nel confronto, attraverso l'Atlantico, tra i campioni al cesio inglesi e americani. Vi è già un serio progetto di tre stazioni ultrapotenti su 20 kHz, atte a coprire tutta la superficie della Terra non solo per fornire un riferimento unico di t., ma anche per costituire insieme un eccellente sistema di radionavigazione, di estensione mondiale. Non difficoltà tecniche, ma finanziarie e di organizzazione internazionale potranno ritardare l'attuazione del progetto, che ha indubbiamente prospettive brillanti e che sarebbe forse la base per una razionale riorganizzazione di tutti i servizî di determinazione del tempo.

Bibl.: U. S. Naval Observatory, Circular n. 49, 8 marzo 1954; L. Essen e J. V. L. Parry, The cesium resonator as a standard of frequency and time, in Trans. Royal Soc. London, n. 973, p. 45 (1957); L. Essen, J. V. L. Parry, W. Markowitz e R. G. Hall, Variation in the speed of rotation of the Earth since June 1955, in Nature, CLXXXI, p. 1054 (aprile 1958); Royal Greenwich Observ. Bull., n. 9 (1959); B. Deaux, La mesure précise du temps, Parigi 1959.