Secondo

Il secondo è l’unità SI di base del tempo. Attualmente definito (dal 1967) come 9.192.631.770 oscillazioni della radiazione emessa da una specifica transizione nell’atomo di cesio-133 allo zero assoluto, stato fondamentale.

Definizioni storiche:

• Prima del 1956: 1/86.400 di un giorno solare medio. Legato alla rotazione della Terra, che è irregolare.
• 1956-1967: 1/31.556.925,9747 dell’anno tropicale 1900. Risolse il problema dell’irregolarità della rotazione ma rimase comunque arbitrario.
• 1967-presente: definizione dell’orologio atomico al cesio-133 sopra descritta.

Gli orologi atomici moderni (l’insieme del BIPM, il NIST-F2 del NIST) sono precisi fino a circa una parte su 10¹⁶ — abbastanza da guadagnare o perdere meno di un secondo nell’arco dell’età dell’universo. Gli orologi al Cs-133 vengono ora integrati da orologi a reticolo ottico ancora più precisi (una parte su 10¹⁸ o migliore), che potrebbero costituire la base di una futura ridefinizione.

Il secondo è l’unità SI più fondamentale in termini pratici: il metro è definito in termini di tempo di percorrenza della luce, il chilogrammo in termini della costante di Planck che coinvolge il tempo, e la maggior parte delle misurazioni moderne dipende in ultima analisi dalla misurazione accurata del tempo.

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Gli orologi a reticolo ottico e l’imminente ridefinizione: la definizione al cesio-133 del 1967 ha fissato il secondo a una precisione di ~10⁻¹⁶, che era all’avanguardia all’epoca. Gli orologi a reticolo ottico allo stronzio e all’itterbio costruiti dal 2014 (NIST, JILA, RIKEN, PTB) dimostrano ora una precisione di ~10⁻¹⁸ — 100 volte migliore di quanto la definizione esistente possa esprimere. La Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure ha approvato una roadmap verso la ridefinizione del secondo attorno a una transizione ottica, puntando al 2030 o poco dopo. La ridefinizione conserverà il secondo esistente entro il rumore di misura ma permetterà al GPS, ai sistemi di trading finanziario e agli esperimenti di fisica fondamentale di ancorarsi a un riferimento più preciso.

Il secondo è al centro del grafo SI: dal 2019, tutte e sette le unità SI di base sono definite tramite costanti fondamentali, e la maggior parte di queste costanti dipende implicitamente dal secondo. Il metro dipende dalla velocità della luce (una misura che coinvolge il tempo). Il chilogrammo dipende dalla costante di Planck (in joule-secondi). L’ampere dipende dalla carica elementare per secondo. La candela dipende dai watt per steradiante (energia per secondo). Solo il kelvin (Boltzmann), la mole (Avogadro) e il secondo stesso sono indipendenti dai secondi. Se la precisione degli orologi atomici migliora, migliora anche la precisione di tutte le altre unità SI. Riferimento: Opuscolo SI del BIPM — Il secondo.

Esempio pratico

Il GPS dipende dal secondo in modo fondamentale. Ogni satellite porta un orologio al cesio o al rubidio; la trilaterazione della posizione usa il tempo di percorrenza dei segnali radio da almeno quattro satelliti alla velocità della luce (~299.792.458 m/s). Un errore di temporizzazione di soli 1 nanosecondo corrisponde a un errore di posizione di ~30 cm: 299.792.458 m/s × 10⁻⁹ s ≈ 0,30 m. Un errore di 1 microsecondo diventa 300 m, il che renderebbe il GPS inutile per la navigazione stradale. I satelliti devono anche correggere per la relatività generale (gli orologi più in alto nel campo gravitazionale terrestre ticchettano ~38 microsecondi al giorno più velocemente degli orologi a terra) e per la relatività speciale (la velocità orbitale li fa ticchettare ~7 microsecondi al giorno più lentamente). La correzione netta (~38 − 7 = ~38 µs/giorno più veloce) è codificata nell’orologio del satellite al lancio; senza di essa, il GPS drifferebbe di ~11 km/giorno.

Quando e perché è importante

Oltre al GPS, il secondo sostiene il timestamping dei mercati finanziari (MiFID II in Europa richiede la sincronizzazione degli orologi con precisione al microsecondo per le sedi di trading, tracciabile all’UTC), la sincronizzazione di fase della rete elettrica (le PMU campionano centinaia di volte al secondo per rilevare l’instabilità della rete prima che si propaghi), le telecomunicazioni (le stazioni base LTE/5G devono essere sincronizzate temporalmente entro 1 µs l’una dall’altra per il handoff) e la misurazione scientifica (i rilevamenti di onde gravitazionali di LIGO si basano sulla correlazione incrociata dei segnali da siti nello stato di Washington e in Louisiana entro nanosecondi). Il protocollo PTP (IEEE 1588) e gli oscillatori disciplinati dal GPS sono il modo in cui i data center ottengono un tempo sub-microsecondo su migliaia di server senza che ciascuno abbia bisogno del proprio orologio atomico. Riferimento: NIST — Divisione Tempo e Frequenza.