sabato 27 giugno 2015

Un secondo in più

Quanto dura un giorno?
Sembra una domanda davvero sciocca e la risposta che chiunque darebbe è: 86400 secondi, cioè 24 ore. O meglio, questa è la durata del giorno, tutti i giorni, secondo gli orologi delle nostre case e ai nostri polsi...ops, scusate, ma sono all'antica. Volevo dire secondo l'orologio dei nostri smartphone. 

Comunque, questo è anche ciò che dice l'UTC, ovvero Tempo Coordinato Universale. L'UTC è un tempo generale, non specificato per una particolare località sulla Terra. In pratica è un orologio a sé stante che scandisce il tempo del cosiddetto giorno solare medio (che dura 24 ore), ovvero la tipica durata, durante l'anno,  della rotazione della Terra attorno al proprio asse durante l'intervallo di tempo che passa nell'osservare il Sole passare due volte nella stessa posizione nel cielo (ma non alla stessa altezza, eh). 
L'UTC è un tempo atomico. Cioè la durata di un secondo per l'UTC si basa su transizioni elettromagnetiche estremamente precise e prevedibili dell'atomo di Cesio (pensate, sballa di un secondo ogni 1 milione e 400 mila anni, mica male!).
Quindi, in principio, quando l'UTC misura 86400 secondi ecco che abbiamo fatto un giorno.

Però. Però.
Però la Terra non ruota esattamente in 86400 secondi attorno a se stessa. In realtà, il tempo esatto è 86400.002 secondi. Ahia! La rotazione della Terra è in qualche modo rallentata da qualcosa (ora vedremo cosa) e quindi l'UTC misura un giorno più corto.


La differenza di 2 millisecondi può essere dovuta a diversi fattori: in primis, variazioni atmosferiche, cioè le correnti d'aria, ma poi anche attività geologiche come vulcani e terremoti o anche fenomeni nelle parti più interne del nostro pianeta. Tutti questi fenomeni rallentano la rotazione della Terra. In pratica dovete vederla nel seguente modo: la Terra girerebbe tranquillamente in 86400 secondi, senza alcun ritardo, ma poi si trova sempre degli impicci da trattare in qualche maniera al suo interno o nell'atmosfera e questo la rallenta un pochino.

E dunque? 
Allora entrano in gioco i quasar! Come scusa? I quasar? E cosa c'entrano con gli orologi?
(Quantizzando è un blog di astrofisica, dovevate aspettarvela qualche roba extra-galattica ad un certo punto...)

Ecco, vedete, i quasar sono delle galassie che hanno al loro centro un buco nero super-massivo e di cui abbiamo già parlato altrove su questo blog. La cosa interessante, tuttavia, è che i quasar sono per la maggior parte molto distanti: questo vuol dire che, visti da Terra, il loro moto apparente nel cielo è talmente irrisorio da poterli considerare praticamente fermi (ma non lo sono eh, ricordatevelo!).
[NOTA: per saperne di più sui quasar consiglio questo vecchio post di Quantizzando]

Dunque cosa si fa? I quasar, oltre alla luce visibile e altro, emettono anche radiazione elettromagnetica nelle onde radio. Dunque, per studiare i quasar si utilizzano radio telescopi. Per sfruttare la potenzialità di più radio telescopi messi insieme  si può ricorrere ad una tecnica chiamata interferometria che, detto in quattro parole, consiste nel combinare i segnali provenienti da più radio telescopi allo scopo di aumentare la risoluzione del segnale.

Ora, se uno ha per caso due radio telescopi in due località differenti, allora, per una questione puramente geometrica, il segnale arriverà sfasato, cioè prima in un posto e poi in un altro. Tipo, insomma, una roba come nella prossima immagine:


Quindi, magari oggi osserviamo il quasar e troviamo che tra i due radio telescopi c'è un ritardo di un certo tempo nella ricezione del segnale. Poi, però, magari un altro giorno facciamo la stessa cosa e notiamo che il ritardo nella ricezione del segnale è differente. Cosa è successo? Abbiamo già detto che tale cambiamento non può essere dovuto allo spostamento del quasar nel cielo. Dunque si tratterà di qualcosa dovuto allo spostamento dei radio telescopi l'uno verso l'altro (per esempio causato dallo spostamento dei continenti).
Tramite queste differenze nei ritardi misurati in diversi giorni dell'anno si possono ottenere precise informazioni sulla durata di una rotazione della Terra rispetto ai lontanissimi quasar e il collegamento con i ritardi dell'UTC dovuti all'attività geologica e atmosferica della Terra. 
Per la cronaca, la durata del giorno calcolata usando i quasar e l'interferometria al posto del Sole viene chiamata Tempo Universale 1, UT1. 
Dunque l'UTC misura il giorno solare (medio) mentre l'UT1 misura il giorno del quasar (sembra quasi il titolo di un film!).

L'idea di base è tenere la differenza tra UTC e UT1 sempre al di sotto di un secondo. Ovviamente, con il passare del tempo, i ritardi giornalieri di 2 millisecondi, di cui parlavamo all'inizio di questo post, si accumulano e diventa necessario fare una qualche correzione. E, naturalmente, la correzione verrà fatta all'UTC (andate voi a spostare il quasar, sennò!).

Tale correzione si chiama leap second (secondo intercalare, in italiano). In pratica, durante un certo giorno dell'anno, viene aggiunto un secondo!

Queste correzioni vengono fatte dal 1972, ma non necessariamente ogni anno. Solitamente, quando vengono fatte, il secondo viene aggiunto il 30 giugno o il 31 dicembre (immagino causando varie complicate vicissitudini durante i festeggiamenti per Capodanno!).

Il punto è che, siccome le differenze tra UTC e UT1 non sono dovute all'instabilità dell'atomo di Cesio bensì all'implacabile attività geologica e atmosferica del nostro pianeta, non si può prevedere quando e se ci sarà bisogno in futuro di un nuovo secondo aggiuntivo. 

Inoltre, come potete comprendere, questa storia del secondo aggiuntivo è una grossa rottura di scatole (soprattutto per i computer) e quindi più di qualcuno vorrebbe abolirla (vedi qui, per esempio).
D'altronde, come avrete già compreso, il secondo aggiuntivo non è una cattiveria degli scienziati: l'obiettivo è, alla fine, cercare di tenersi stretto il legame tra la durata di 24 ore di un giorno, la rotazione della Terra e l'uso del Sole per scandire i nostri ritmi.

Per concludere: come funziona l'aggiunta di un secondo? Ecco, non so come dirvelo quindi ve lo faccio vedere. Così:



Praticamente, dopo le 23:59:59 non abbiamo subito le 00:00:00 del giorno successivo ma avremo ciò che è indicato in figura, ovvero le 23:59:60. Ovvero un minuto di 61 secondi!
Come già anticipato dall'immagine precedente, questa aggiunta verrà fatta, la prossima volta, proprio martedì 30 giugno 2015
E il buon Eddard Stark è subito pronto ad avvisarci:



Ciò vuol dire che se martedì prossimo vi sembrerà un giorno più lungo del solito, non sarà una sensazione strana ma solo la pura verità!