Nel Sistema Internazionale il secondo è definito in termini di numero di oscillazioni della radiazione emessa, in particolari condizioni, dall’atomo di Cesio. Come sono state contate le 9.192.631.770 oscillazioni in un secondo? Ossia, come si è stabilito che nella durata del secondo atomico pari alla durata del secondo medio si verifica quel numero di oscillazioni?

Lo si è
stabilito studiando il moto della Luna, usata in questo caso come orologio
naturale che segna il tempo delle effemeridi.

Nel 1967
la tredicesima conferenza generale dei pesi e delle misure definì
il secondo come

la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente
alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo
di cesio 133

Nel 1997
si è precisato che la definizione si riferisce all’atomo di cesio
a riposo e alla temperatura di 0 K.

Già
dal 1956 il Comitato Internazionale dei pesi e delle misure aveva definito
il secondo in termini di secondo delle effemeridi.

Il secondo è la frazione 1 / 31.556.925,9747 dell’anno
tropico, per il giorno 0 gennaio 1900, alle ore 12 del tempo delle Effemeridi.

Il tempo
delle effemeridi è quello scandito dal moto della Terra attorno
al sole, quasi si trattasse di un immenso orologio naturale. In sostanza
è il tempo che rende vere le equazioni della dinamica newtoniana.
Nella pratica però non si usa il moto della Terra attorno al Sole,
perché occorrerebbe rilevare l’esatta posizione del Sole rispetto
alle stelle, cosa impossibile. Dunque si usa il moto della Luna attorno
alla Terra, anche in virtù della maggiore rapidità che consente
una maggiore precisione. La teoria del moto orbitale permette di stabilire
la posizione della Luna in funzione del tempo, se invece si vuole operare
in senso inverso, vale a dire conoscere il tempo in funzione della posizione,
occorre misurare con estrema precisione la posizione della Luna rispetto
alle stelle.
Ciò si realizza per mezzo della fotografia: si misura la posizione
del centro del disco lunare rispetto alle stelle di campo. Il problema
però sta a monte: nel realizzare la fotografia.

Questa
operazione non è semplicissima, in primo luogo perché il
nostro satellite è molto più brillante delle stelle, dunque
il tempo di esposizione della lastra fotografica non può essere
adeguato sia per le stelle che per la Luna. In secondo luogo per ottenere
una buona fotografia occorre un tempo di posa dell’ordine delle decine
di secondi e in questo lasso di tempo la Luna si sposta apprezzabilmente
nel cielo!

La soluzione
è stata trovata da W. Markowitz che ha costruito una camera a doppia
velocità (illustrata a fianco) da applicare ad un telescopio.
Il motorino visibile a sinistra fa scorrere la lastra fotografica in modo
da inseguire lo spostamento delle stelle. Il disco nero è in realtà
un filtro lunare che lascia passare solo l’uno per mille della luce incidente,
in modo tale da eguagliare lo splendore delle stelle. Inoltre il meccanismo
in alto fa ruotare il filtro in modo da compensare lo spostamento della
Luna rispetto alle stelle. Il risultato è una fotografia, con un
tempo di posa di 20 secondi, che ritrae la Luna perfettamente fissa in
un campo stellare.
Come facciamo a sapere a quale istante si riferisce questa situazione?
Del resto la posa e’ durata ben 20 secondi…
La risposta è data da un piccolo contatto elettrico posto nel gruppo
di meccanismi in alto. Quando il filtro è perfettamente parallelo
alla lastra, l’immagine della Luna non viene spostata rispetto alle stelle,
dunque l’intera fotografia rappresenta quell’istante di tempo. Il contatto
è collegato ad un cronografo che registra il tempo esatto dell’osservazione.

La descrizione
di questa apparecchiatura e del metodo di lavoro è stata data in
un articolo1 del 1954, ma già dal 1952
allo U.S. Naval Observatory Markowitz aveva iniziato a rapportare il moto
della Luna al tempo delle effemeridi. Dal giugno 1955 al 1958 una collaborazione
anglo-americana ha studiato a fondo il moto della Luna in rapporto al
tempo marcato dagli orologi atomici. L’articolo finale2
dà come risultato il rapporto tra il secondo di tempo delle effemeridi
rispetto alla radiazione emessa dal cesio: 9.192.631.770 +/- 20 cicli.

Note:

1
– W. Markowitz, Photographic determination of the Moon’s position,
and applications to the measure of time, rotation of the Earth, and geodesy
,
Astron. J. 59, 69 (1954)

2
– W. Markowitz, R. Glenn Hall, L. Essen, J. Parry, Frequency of cesium
in terms of ephemeris time
, Phys. Rev. Letters, 1, 105 (1958).

 

Vedi anche
la
risposta alla richiesta di precisazioni.