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13 marzo 2012

ALBERT EINSTEIN, L’EQUAZIONE DEL TEMPO E LE COORDINATE ASTRONOMICHE

Una delle cose più importanti che l’osservatore astronomico deve fare nel corso delle sue osservazioni notturne consiste nell’indicare con estrema precisione l’esatta posizione dell’astro che sta studiando.

Il luogo del cielo in cui appare una cometa o il punto da cui sembra cadere un Bolide o provenire una stella cadente devono, infatti, essere indicati senza equivoci ed in un “codice” che metta d’accordo tutti gli astronomi ed astrofili.

Poiché poi la posizione apparente delle stelle nel cielo muta di ora in ora e di stagione in stagione, a causa dei complicati moti della Terra, è anche necessario che questo “codice” prescinda da tali movimenti e sia indipendente da essi fornendo dati invariabili nel tempo.

Per questo motivo è conveniente parlare della Terra come se fosse circondata da una “Sfera Celeste” il cui centro coincide con quello della Terra; i diversi oggetti nel cielo possono così essere posizionati ed individuati facilmente su questa sfera immaginaria e, mediante un sistema di coordinate astronomiche universale, possono essere individuati con precisione da tutti gli osservatori della Terra.

Se osserviamo il cielo in una notte senza nubi stando su un’ampia pianura o in riva al mare, infatti, esso ci appare come una grande cupola, o come la parte di una sfera al centro della quale si trova l’osservatore e nella quale si proiettano il Sole, la Luna, le stelle e tutti i corpi celesti. Questa cupola semisferica immaginaria viene chiamata “Volta Celeste”.

Se la Terra fosse trasparente la “Volta Celeste” apparirebbe come una sfera completa: la “Sfera Celeste”.

La direzione dell’asse terrestre proietta nella sfera celeste due punti: il Polo Nord Celeste e il Polo Sud Celeste. Il piano dell’Equatore Terrestre interseca la Sfera Celeste secondo un circolo massimo detto “Equatore Celeste”.

L’Orizzonte Celeste, invece, è quel piano sempre parallelo all’Orizzonte apparente (l’ Orizzonte apparente è quel piano tangente alla superficie della Terra nel punto di osservazione) che passa per il centro della Terra.

Tutti i corpi celesti sembrano muoversi sulla Sfera Celeste  da oriente ad occidente come se questa ruotasse attorno al suo Polo Celeste o, meglio, attorno al suo asse PNC – PSC ( Polo Nord Celeste – Polo Sud Celeste ) detto Asse del Mondo. Ma in verità è la Terra che, al centro della Sfera Celeste, ruota attorno al suo asse PN – PS (Polo Nord – Polo Sud) in senso antiorario, per un osservatore in piedi sul Polo Nord e, per la relatività del moto, lo stesso osservatore vede ruotare la sfera celeste in senso opposto.

Se osservassimo, infatti, con molta attenzione il moto del Sole durante il giorno o quello delle stelle durante la notte, vedremmo che questi astri si muovono sulla sfera celeste lungo cerchi che sembrano avere i loro centri disposti tutti sull’Asse del Mondo.

Quest’asse, che è sempre parallelo all’asse di rotazione terrestre, è inclinato rispetto all’orizzonte di un angolo che è pari a quello della latitudine del luogo.

Stelle e Costellazioni, dunque, sembrano muoversi nel cielo nel corso della notte e noi oggi sappiamo che il moto delle stelle nella Volta Celeste è dovuto al moto che la Terra compie attorno al proprio asse.

Il panorama stellare però non cambia solamente nelle ore notturne ma esiste anche un cambiamento dovuto al mutare delle stagioni.

In 365 giorni e un quarto, infatti, la Terra fa un giro completo intorno al Sole per cui il lato buio del nostro pianeta è proiettato in direzioni diverse del cielo.

Per fortuna, se anche le stelle sembrano muoversi lentamente nel cielo esse mantengono sempre la stessa posizione le une rispetto alle altre e, per questo motivo, le diverse costellazioni sono sempre riconoscibili.

Ecco perché le stelle vennero chiamate stelle fisse fin dai tempi antichi: si credeva allora che le stelle stessero tutte su un’enorme sfera di cristallo che ruotava lentamente intorno al nostro pianeta.

In conclusione, quindi, tutti gli astri ruotano, sia di giorno che di notte, attorno ad un asse immaginario, detto Asse del Mondo, che è inclinato, appunto, sull’orizzonte di un angolo pari a quello della latitudine del luogo.

La posizione di un astro nella Sfera Celeste, dunque, è determinabile dalle coordinate dell’astro (coordinate astronomiche) e dall’istante (unità di tempo) in cui viene effettuata l’osservazione.

Oltre alle coordinate geometriche astronomiche che indicano la direzione del cielo in cui si trova l’oggetto celeste, è necessaria, dunque, una terza coordinata, quella temporale, della quale è necessario definire l’unità di misura.

Sin dalla più remota antichità, il quotidiano moto degli astri, del Sole e della Luna ha rappresentato per l’uomo un mezzo pratico e sicuro per misurare il trascorrere del tempo.

Ed è praticamente scontato che l’unità di misura del tempo, che misura un determinato intervallo di tempo tra due o più eventi e che in fisica fornisce un sistema di riferimento (cioè un insieme di coordinate) in cui possono essere ordinati gli eventi, venga  scelta facendo riferimento ad un determinato moto ciclico che si ripete periodicamente.

Ed, infatti, sul periodico moto di rotazione del nostro pianeta e di quello di rivoluzione dello stesso intorno alla nostra stella (trascorrere delle stagioni), è basato tutto il sistema di funzionamento dei nostri orologi e l’intera struttura del nostro calendario.

Ma il valore del tempo e della sua unità di misura, tradotto in forma matematica, essendo strettamente legato alle numerose irregolarità del moto di rotazione terrestre, determina la necessità di legare l’unità di misura del tempo utilizzata alle varie longitudini terrestri. Da ciò ne consegue che il valore del tempo così determinato è un valore esclusivamente legato al luogo della Terra in cui avviene la misurazione.

Ora, poiché le esigenze della vita quotidiana impongono una definizione più generalizzata ed universale della nozione di tempo, il globo terrestre è stato suddiviso in 24 fusi di un ora ciascuna (i fusi orari) e all’interno di ciascuno di essi si assume uno stesso valore del tempo: il tempo legale.

Il tempo legale del meridiano di riferimento, il Meridiano di Greenwich, prende il nome di “Tempo Universale”, ovvero “TU”: esso è il tempo solare medio locale di Greenwich (che si trova in Inghilterra) e che è anch’esso affetto da tutte quelle fluttuazioni rotazionali a cui abbiamo accennato prima.

Per ovviare all’incertezza dovuta a queste fluttuazioni, dal 1960 è stato adottato, in luogo del TU di Greenwich, il “Tempo delle Effemeridi”, detto anche “TE”, che si basa sull’annuale moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole.

A differenza del precedente TU, il TE scorre in maniera uniforme presentando, rispetto al precedente, soltanto uno scarto di qualche secondo. Poiché, però, questo scarto viene pubblicato regolarmente all’inizio di ogni anno negli annuari astronomici, il problema è risolto.

Cosa ben diversa è la cosiddetta “Equazione del Tempo” che altro non è che la differenza tra il tempo solare vero, che non è uniforme perché il nostro Sole si muove con velocità variabile sull’eclittica e perché il suo moto in longitudine (chiamato “ascensione retta”) non si misura sull’eclittica bensì sull’Equatore Celeste, ed il tempo solare medio calcolato nel corso dell’anno.

Questa equazione presenta ogni anno due massimi in Maggio e Novembre e due minimi in Febbraio e Luglio. Ne consegue che il mezzogiorno medio coincide con il mezzogiorno vero soltanto quattro giorni l’anno: il 16 Aprile, il 14 Giugno, il 1° Settembre e il 24 Dicembre.

Lo studio del tempo rappresenta un settore di grande fascino e rilevanza scientifica. Uno dei più grandi misteri della scienza, infatti, è dato dalla “direzionalità del tempo” ovvero dalla distinzione tra passato e futuro.

E’ cosa  decisamente rilevante, infatti, che, benché il nostro sistema temporale definisca una “Freccia del Tempo”, nelle leggi della fisica conosciuta non ci sia nulla che faccia pensare che il tempo scorra effettivamente dal passato al futuro passando per il presente.

Né la meccanica celeste, né la moderna meccanica quantistica, infatti, distinguono, in fisica, tra
passato e futuro come vorrebbe la teoria della “Freccia del Tempo”, appunto.

Per spiegare meglio il concetto è sufficiente considerare che tanto Aristotele quanto Newton hanno creduto che si potesse misurare con precisione l’intervallo di tempo fra due eventi e che questo tempo sarebbe stato lo stesso per chiunque lo avesse misurato, purché avesse usato un buon orologio!

Il tempo era, quindi, completamente separato dallo spazio ed era anche da esso completamente indipendente.

Le idee sullo spazio e sul tempo, però, erano destinate a mutare radicalmente con Einstein.

In altri termini, la Teoria della Relatività mise fine all’idea del tempo assoluto.

Spazio e tempo cessarono di essere entità separate e diventarono un tutt’uno: parte di una stessa dimensione chiamata, appunto, “Dimensione spazio-tempo”.

“Le leggi secondo le quali i corpi solidi si dispongono nello spazio” scrive lo stesso Einstein nel suo libro Come io vedo il mondo – La Teoria della Relatività, 2002 Grandi Tascabili Economici Newton, a pag. 78, “non concordano esattamente con le leggi spaziali della geometria euclidea. E’ ciò che si vuol dire quando si parla della curvatura dello spazio… Il comportamento dei corpi e la marcia degli orologi dipendono piuttosto dai campi di gravitazione, i quali, a loro volta, sono prodotti dalla materia…”.

In sostanza, Einstein sostiene che la geometria dello spazio-tempo sia curva, anziché piatta come quella euclidea.

Egli ebbe la geniale intuizione che la massa dei corpi, insieme all’energia, “distorcono” lo spazio-tempo; anche se in modi ancora non del tutto chiari.

Da ciò consegue che corpi celesti come i pianeti, in realtà, si muoverebbero lungo traiettorie diritte e rettilinee, ma poiché tali traiettorie sono incurvate dal campo gravitazionale (cioè dalla massa ) del Sole che curva, appunto, lo spazio-tempo, essi sembrerebbero muoversi, invece, lungo traiettorie curve e circolari. Le orbite dei pianeti, infatti, sono ellittiche.

“La nuova teoria della gravitazione”, scrive ancora Einstein a pag. 78 e ss del suo libro, “ s’allontana notevolmente, per quanto riguarda i principi, dalla teoria di Newton; ma i suoi risultati pratici concordano così da vicino con quelli di questa teoria che è difficile trovare sperimentalmente prove di differenze sensibili”.

In conclusione, l’orologio è stato inventato per misurare con precisione il giorno solare, ma mentre nella vita quotidiana la scansione del tempo in passato, presente e futuro ha un significato ben preciso, in fisica il tempo è soltanto quell’unità che misura l’intervallo tra due eventi.

Riusciremo, un giorno, a svelare i misteri relativi alle incognite del tempo?

Questo io non lo so, ma so per certo che se un giorno fosse possibile viaggiare lungo la Freccia del Tempo, io sarei disposta a cedere tutti i miei averi pur di poter viaggiare nel tempo…

 

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