La consapevolezza dei cicli naturali e della loro prevedibilità, i tentativi di interpretazione e il conseguente affinamento dei metodi di misurazione di questi cicli sono all’origine dell’astronomia stessa, un’origine difficilmente databile, ma di certo collocabile in un passato molto lontano. Le ragioni di una tale antichità sono biologiche: l’astronomia non è nata da un’astratta urgenza di verità e conoscenza, ma come parte della vita, come pratica spontanea nata da esigenze sociali. L’alternarsi del dì e della notte e il ciclo delle stagioni regolano innanzitutto la veglia e il sonno e i periodi annuali delle attività per la sopravvivenza.

La misura del tempo richiede la conoscenza di un fenomeno ciclico osservabile e ripetibile. I fenomeni ciclici più utilizzati per la costruzione di scale di tempo sono fondamentalmente tre: la rotazione terrestre, la rivoluzione della Terra attorno al Sole e l’oscillazione di specifiche radiazioni elettromagnetiche.

Le unità di tempo convenzionali (giorni, ore, minuti, secondi ecc.) sono state definite in base a ciascuno di questi fenomeni ciclici ma, non essendo equivalenti tra loro, le unità corrispondenti non hanno la stessa lunghezza. La lunghezza del secondo attualmente accettata dal Sistema Internazionale è definita in base ad un certo numero di periodi di oscillazione di una specifica radiazione elettromagnetica prodotta dal Cesio 133.

Nel diciannovesimo secolo, parallelamente al perfezionamento degli orologi meccanici, i numerosi tentativi di trovare intervalli di tempo costanti basati su modelli newtoniani dei movimenti dei principali corpi celesti del Sistema Solare hanno avuto successi solo parziali: ogni nuova teoria, pur prevedendo accuratamente i dati attuali, conduceva in breve tempo a risultati che divergevano rispetto ai nuovi dati osservativi.  Come esempio rappresentativo si può citare l’inesplicabile accelerazione secolare del moto della Luna, fenomeno misurato nel 1749 da Dunthorne e confermato da  osservazioni successive. Si dovettero aspettare quasi due secoli prima di giungere alla corretta spiegazione: non è la Luna ad accelerare ma è il periodo di rotazione della Terra ad allungarsi, cioè l’unità di misura stessa impiegata nelle misurazioni. Il tempo siderale e il tempo medio, basati emtrambi sulla rotazione, non erano più affidabili ma non esisteva ancora un orologio meccanico che potesse sostituire in precisione questo fenomeno ciclico naturale.

Una soluzione pragmatica a questo problema è stata quella di  ideare una scala di tempo che fosse indipendente dalla rotazione terrestre, chiamata tempo delle Effemeridi, costruita utilizzando le funzioni teoriche necessarie a calcolare le posizioni dei corpi celesti. La variabile indipendente di tali funzioni è il tempo. Invertendole e ponendo come variabile indipendente il dato osservativo, si poteva calcolare la scala di tempo ideale. Il tempo delle effemeridi è paragonabile perciò ad una sorta di “tautologia”.

Con l’invenzione e il perfezionamento di orologi sempre più precisi, da quelli al quarzo (utilizzati per la prima volta all’osservatorio di Greenwich nel 1939) agli orologi atomici al Cesio degli anni ’50, si confermò quello che fino a qualche decennio prima era solo un sospetto: la velocità di rotazione della Terra rispetto alle stelle non solo rallenta, ma non lo fa nemmeno in modo matematicamente prevedibile. Il periodo di rotazione della Terra, fino ad allora considerato un intervallo costante e perciò affidabile come unità di misura nella definizione delle scale di tempo astronomiche e civili (come ad esempio il tempo siderale e il tempo medio), fu definitivamente sostituito dal secondo SI che è attualmente alla base della scala di tempo atomico internazionale TAI alla quale si riferiscono le attuali scale di tempo impiegate in astronomia (TT, erede del tempo delle effemeridi) e quelle ad uso civile (UTC).

Nessun’altra scienza, come l’astronomia, ha fatto uso di così grande varietà di scale di tempo. La ragione principale sta nel fatto che è sempre stato necessario conservare una continuità tra le vecchie e le nuove scale: gli astronomi hanno avuto la necessità di confrontare i dati antichi con quelli attuali per poter interpretare i cicli fondamentali come la rotazione della Terra o il moto dei pianeti. Le scale obsolete conservano così i “dati fossili” utili per le elaborazioni successive.

A complicare ulteriormente le già complesse scale di tempo, interviene la teoria della Relatività generale. Una scala di “tempo assoluto” come immaginato da Isaac Newton, non esiste e nelle applicazioni in cui è richiesta una elevata precisione (ad esempio nell’astronautica e nei sistemi di navigazione satellitare) ogni scala di tempo deve essere definita nel contesto relativistico. Nemmeno il tempo atomico TAI sfugge alle leggi della relatività generale le quali entrano nella definizione stessa della sua unità di misura.

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