UTC

Quest’anno il tempo ‘guadagna’ un secondo

Non è sempre detto che il tempo proceda in maniera continua man mano che contiamo le ore, i minuti e i secondi. Infatti, il prossimo 30 Giugno 2015 durerà un secondo in più, un’operazione, detta leap second o secondo intercalare, che viene effettuata periodicamente per riconciliare due definizioni del tempo: uno di origine astronomica e l’altro fornito dagli orologi atomici.

Prima degli anni ’50, il tempo veniva definito dalla posizione del Sole nel cielo, così come misurato dagli strumenti che monitorano la rotazione della Terra. Ma il periodo della rotazione terrestre non è costante: essa sta rallentando a causa dell’attrazione gravitazionale della Luna che produce un allungamento del giorno pari a 1,7 millisecondi per secolo. La variazione della lunghezza del giorno è nota da molti secoli ma solo di recente è diventata, al di fuori dell’astronomia, una sorta di “preoccupazione pratica” grazie soprattutto all’invenzione degli orologi atomici. Questi strumenti forniscono una definizione del tempo molto più stabile e di facile uso, basata su una particolare frequenza di oscillazione degli atomi di cesio, che viene utilizzata nell’ambito dei radiotrasmettitori utilizzati dagli ingegneri delle telecomunicazioni per calibrare e sincronizzare gli apparati strumentali.

La lunghezza del giorno non è costante, come si potrebbe pensare. Credit: US Naval Observatory

Quando tali trasmettirori furono migliorati per emettere un segnale sotto forma di un impulso al secondo e un codice che indicava il giorno e il tempo, fu chiesto all’International Telecommunication Union di Ginevra di far fronte ad una definizione standard del tempo. Il risultato fu il cosiddetto “Tempo Universale Coordinato”, abbreviato in UTC, conosciuto anche come tempo civile, diventato poi il fuso orario di riferimento da cui sono calcolati tutti gli altri fusi orari del mondo. Esso definiva il segnale temporale generato da un orologio atomico, che sarebbe rimasto entro un secondo rispetto alla definizione del tempo astronomico, o tempo universale UT1, basato sulla rotazione della Terra. La domanda era: come mantenere sincronizzati questi due tempi scala? I primi tentativi, che vennero effettuati modificando la frequenza di trasmissione cambiando o la lunghezza del secondo o aggiungendo dei ritardi dell’ordine del millisecondo, causarono una serie di problematiche a discapito dell’elettronica su cui si basavano altri sistemi di utilizzo del tempo, come ad esempio la frequenza dei fotogrammi di 50Hz tipica delle trasmissioni televisive europee. Così, verso la fine degli anni ’60, la definizione di UTC venne cambiata per mantenere costante la lunghezza del secondo. Invece, le definizioni di tempo atomico e di quello astronomico, nell’ambito della definizione UTC, dovevano essere sincronizzate mediante l’inserimento o l’omissione di un intero secondo. Perciò il cosiddetto secondo intercalare fu introdotto, per la prima volta, nel Giugno 1972 e da allora, ce ne sono stati altri 24, così come specificato dall’Earth Orientation Center di Parigi.

Secondi intercalari dal 1972. Credit: xkcd

Mentre tutto questo procedeva senza alcun intoppo, dalla fine degli anni ’90 iniziarono alcune problematiche. Intanto, venne condotta una grande campagna informatica per risolvere il problema del cosiddetto millenium bug, noto anche come Y2K, un potenziale difetto informatico che avrebbe potuto manifestarsi al cambio di data dalla mezzanotte del 31 dicembre 1999 al 1º gennaio 2000 nei sistemi di elaborazione dati, nei personal computer che nei grandi elaboratori, facendo tremare gli ingegneri circa eventuali interruzioni relative alla misura del tempo. La trasmissione del tempo con una precisione elevata, generata dai satelliti GPS, permise l’abilitazione di nuove applicazioni critiche per la sicurezza, come ad esempio il controllo e la navigazione aerea, dove le variabili temporali influenzano significativamente la traiettoria dei veicoli. In seguito, doveva diventare pratica comune sincronizzare gli orologi dei personal computer su Internet mediante il cosiddetto Network Time Protocol (NTP), il che fece sollevare la questione su come gli stessi PC avrebbero implementato nel loro tempo scala l’operazione del secondo intercalare. Gli inventori di questa operazione avevano previsto che un orologio digitale che mostra il tempo UTC, che di solito passa dalle ore 23:59:59 alle 00:00:00, avrebbe dovuto inserire un ulteriore secondo, cioè un 61mo secondo tale che il display mostrasse 23:59:60. Ma ciò divenne impraticabile dato che i programmi suddividono raramente il tempo in variabili separate per indicare le ore, i minuti e i secondi. È più conveniente rappresentare il tempo come un singolo numero, cioè come una sorta di contatore di secondi. Vista in questo modo, aggiungere 1 a qualsiasi valore del tempo rappresentato dalla stringa 23:59:59 finirà sempre con la stringa 00:00:00. Dunque, non ci sono ulteriori numeri sulla scala di tempo che potrebbe essere rappresentata dalla stringa 23:59:60. Sfortunatamente, il modo con cui NTP venne implementato sui sistemi Unix e Linux, sotto i quali girano la maggior parte dei server, rese le cose ancora peggiori: cioè, la procedura era quella di andare indietro nel tempo, all’inizio del secondo finale, per poi ripeterlo. Ora, un qualsiasi orologio che legge due volte un secondo potrebbe trovarsi in una situazione di confusione. Questo fatto, assieme ad un particolare bug nel sistema operativo Linux causò una serie di comportamenti anomali ai computer portando dei veri e propri guasti in alcuni centri di calcolo quando, l’ultima volta, venne inserito un secondo aggiuntivo nel 2012, in particolare in uno dei maggiori centri di prenotazioni aeree. Invece, l’attuazione di implementazioni alternative permette ora di rallentare brevemente l’orologio dei computer durante il processo del leap second in modo da tener conto della differenza.

Esiste una forma che non sfrutta la procedura del secondo intercalare, nota come International Atomic Time (TAI). Attualmente, UTC ritarda esattamente di 35 secondi rispetto a TAI e passerà a 36 secondi dal 1 Luglio 2015. Quei sistemi in cui la procedura del leap second può causare delle problematiche, come i GPS o i veicoli spaziali, hanno utilizzato da un pò di tempo delle varianti del TAI. Tuttavia, l’uso del TAI non è diffuso dato che le definizioni legali del tempo si basano sull’UTC. Sono circa 15 anni che esiste un dibattito che ruota sull’abolizione o meno della procedura del leap second per far sì che a partire da qualche data in poi la differenza tra UTC e TAI rimanga fissa. Ciò potrebbe rappresentare una soluzione al modo con cui viene implementato il leap second nei computer anche se danneggerebbe alcuni sistemi esistenti specializzati, ad esempio, per l’inseguimento delle traiettorie satellitari, gli strumenti astronomici e qualsiasi sistema costruito con l’assunzione che i tempi UTC e UT1 non differiscano mai per più di un secondo.

C’è, infine, una questione più filosofica che emerge dalla nostra definizione del tempo dalla posizione del Sole nel cielo. Gli strumenti astronomici, come i sestanti e le meridiane, potrebbero diventare obsoleti senza una regolare ricalibrazione. E poi, il meridiano su cui il tempo solare locale medio corrisponde al tempo UTC, che attualmente passa da Greenwich nei pressi di Londra, inizierebbe ad accelerare verso est, raggiungendo Parigi nell’arco di qualche centinaia di anni per poi passare col tempo varie volte intorno al globo. Forse, questo è quello che in parte avrebbe motivato il governo britannico ad opporsi ad una tale variazione.

The Conversation: An extra second on the clock: why moving from astronomic to atomic time is a tricky business