18 gennaio 2012

Dalla fantascienza alla scienza: il tempo

Il carnevale dei libri di scienza di questo mese, ospitato da Gli studenti di oggi, mi dà lo spunto per parlarvi di un nuovo argomento che avevo in cantiere da un po’: il tempo.
Iniziamo con i due libri di fantascienza particolarmente carichi di emozioni.

Il tempo visto dalla fantascienza:
Il figlio del tempo è un romanzo di fantascienza scritto nel 1992 da Isaac Asimov e Robert Silverberg; si basa su un racconto precedentemente scritto dallo stesso Asimov, nel 1958. Miss Fellowes è infermiera specializzata alla quale viene chiesto di lavorare per la Stasis Corporation; si tratta di un’organizzazione che preleva animali, vegetali, oggetti e persone da epoche passate. Un viaggio temporale conduce un piccolo Homo Neanderthalensis, detto Timmie, vissuto quarantamila anni fa, nel nostro presente, strappandolo al suo tempo e alla sua tribù. Miss Fellowers ha il compito di occuparsi del bambino.
La storia si snoda mettendo in luce il rapporto tra i due protagonisti e il profondo affetto che progressivamente li lega.
Mentre Timmie fa progressi, impara a parlare, a mangiare con coltello e forchetta, a vestirsi e a leggere, gli scienziati lo esaminano.
Nel romanzo, presente e passato si alternato e si intrecciano: Asimov e Silverberg ci presentano, infatti, anche brevi episodi che si svolgono nell'età della pietra.

L’altro testo che vi voglio presentare è Il curioso caso di Benjamin Button, un breve racconto scritto da Francis Scott Fitzgerald nel 1922. Nel 2008, l'opera è stata trasposta per il grande schermo dal regista statunitense David Fincher.
La storia inizia nel 1860, anno di nascita del protagonista: Benjamin Button. Benjamin è un bambino particolare perchè nasce con l'aspetto di un uomo anziano e, durante il suo percorso di vita, torna giovane.

Ecco due frasi significative tratte dal film:

“Capita a tutti di sentirsi diversi in un modo o nell'altro, ma andiamo tutti nello stesso posto, solo che per arrivarci prendiamo strade diverse...”

“Per quel che vale... non è mai troppo tardi, o nel mio caso, troppo presto per essere quello che vuoi essere. Non c'è limite di tempo, comincia quando vuoi... puoi cambiare o rimanere come sei, non esiste una regola in questo, possiamo vivere ogni cosa al meglio o al peggio. Spero che tu viva tutto al meglio, spero che tu possa vedere cose sorprendenti, spero che tu possa avere emozioni sempre nuove, spero che tu possa incontrare gente con punti di vista diversi, spero che tu possa essere orgogliosa delle tua vita e se ti accorgi di non esserlo, spero che tu trovi la forza di ricominciare da zero.”

I due libri sono a mio avviso molto affascinanti perché, oltre ad essere scritti con un particolare riguardo per le emozioni e i sentimenti, trattano temi che da sempre solleticano la mia immaginazione, come la possibilità di viaggi nel tempo o l'idea che il tempo possa scorrere a ritroso.

Il tempo visto dalla scienza:
Ma ora passiamo dalla fantascienza alla scienza. Cos’è il tempo e come si misura?

Il tempo è un concetto fisico che utilizziamo per stabilire la contemporaneità o l’ordine di una serie di eventi. La sua misurazione si basa su metodi astronomici diversi che fanno riferimento al moto apparente del Sole (tempo solare) o a quello delle stelle (tempo sidereo). È grazie a questi riferimenti astronomici che calcoliamo il passare del tempo: i giorni, le ore che li compongono e gli anni che passano per il loro susseguirsi.

Moto apperente
Prima di capire la differenza tra questi sistemi di misurazione del tempo, chiariamo il concetto di moto apparente con un’immagine.
Questa immagine, così come le due che seguono, è tratta dagli Itinerari scientifici che trovate sul sito Pianeta Scuola. Si tratta di un laboratorio di scienze on-line attraverso il quale è possibile ripassare vari argomenti e mettersi alla prova con diversi test.
Il moto di rotazione della Terra da ovest verso est fa in modo che si veda il Sole muoversi sulla volta celeste da est (alba) verso ovest (tramonto): questo è il moto apparente del Sole.

Giorno solare e giorno sidereo
Il tempo impiegato dalla Terra per compiere una rotazione intorno al proprio asse è detto giorno. La durata del giorno risulta diversa se si prende come punto di riferimento esterno per misurare la rotazione una stella o il sole.

Essendo molto distante, una stella rappresenta un buon punto di riferimento e può essere considerata ferma rispetto alla Terra (stella fissa). Il tempo impiegato affinché una stella fissa ritorni nello stesso punto (in termini tecnici si parla di culminazione sul meridiano del luogo) misura la durata di un’effettiva rotazione di 360° della Terra intorno al proprio asse.
Il giorno così misurato è detto giorno sidereo e dura circa 23 ore e 56 minuti (23h 56m 4,0989s).
Movimento di rotazione della Terra.
Il giorno sidereo può ritenersi costante per piccoli intervalli di tempo: il nostro Pianeta, infatti, sta impercettibilmente rallentando; si stima una variazione della sua velocità angolare (ovvero la sua velocità di rotazione) di 4 ore ogni 700 milioni di anni.

Tutte le nostre attività sono regolate in base alla posizione del Sole, per questo è importante comprendere anche il concetto di giorno solare.
In ogni luogo e in qualunque giorno, l’ora del mezzogiorno è definita dal passaggio del Sole nel punto più alto nel cielo.
Se, dunque, misuriamo il tempo necessario affinché il Sole culmini per due volte consecutive sullo stesso meridiano (intervallo di tempo tra due mezzodì) si ottiene il giorno solare, pari a circa 24 ore.

Il sole, tuttavia, non si può però considerare fisso rispetto alla Terra. Cerchiamo di comprenderne il motivo. La Terra ruota attorno al proprio asse e contemporaneamente compie un movimento di rivoluzione in senso antiorario di 360° attorno al Sole: la Terra impiega circa 365 giorni a compiere questo movimento, con una velocità angolare di circa 1° al giorno.
Movimento di rivoluzione della Terra attorno al Sole.
Una volta che la Terra ha compiuto, dopo 23 ore e 56 minuti, una rotazione completa di 360° attorno al proprio asse, non trova il Sole nuovamente in culminazione, perché si è spostata in senso antiorario rispetto ad esso di circa , a causa del moto di rivoluzione. Per ritrovare nuovamente il Sole in culminazione la Terra deve ruotare attorno al proprio asse ancora di 1°, compiendo una rotazione complessiva di 361°.
Confronto tra giorno sidereo e giorno solare - Immagine tratta da Wikipedia.
Vediamo ora di fare qualche semplice calcolo per comprendere qual è la velocità di rotazione della Terra e quanto tempo impiega il nostro pianeta a coprire 1°.
Rotazione completa attorno all'asse: 360°.
Tempo impiegato per compiere tale rotazione: 24 h.
Quindi: 360°/24h = La Terra ha una velocità angolare di15°/h
Per coprire 1° impiegherà quindi 1/15 di ora, pari a 4 minuti circa.

A questo punto è necessario fare un'ulteriore precisazione: il giorno solare non ha sempre durata costante di 24 ore; per comprenderne il motivo, basta ricordare che la durata del giorno solare dipende anche dal movimento di rivoluzione.
Studiamolo meglio con questa immagine:
Movimento di rivoluzione della Terra attorno al Sole. Il disegno mostra l'orbila ellittica con  il punto di massima vicinanza (perielio) e il punto di massima lontananza della Terra dal Sole (afelio). Per approfondire e vedere anche delle interessanti animazioni in merito, cliccare qui
Per la seconda legge di Keplero un pianeta si muove più rapidamente quando è vicino al Sole e più lentamente quando è lontano. 
Il perielio è il punto di minima distanza della Terra rispetto al Sole. La Terra raggiunge il proprio perielio il 3 gennaio circa. 
L'afelio è il punto di massima distanza della Terra dal Sole. La Terra raggiunge il proprio afelio il 4 luglio circa. 
In prossimità del perielio la velocità angolare di rivoluzione è maggiore e lo sarà anche la durata del giorno solare: ci vorranno poco più di 4 minuti per ritrovare il Sole in culminazione.
In prossimità dell'afelio la velocità angolare di rivoluzione è minore e lo sarà anche la durata del giorno solare: ci vorranno poco meno di 4 minuti per ritrovare il Sole in culminazione.

Le ore e i fusi orari
Il valore di 24 h che noi utilizziamo rappresenta, quindi, il giorno solare medio.

Unità più piccole di tempo solare sono le suddivisioni del giorno, ovvero:
1/24 di un giorno = 1 h
1/60 di h = 1 min
1/60 di min = 1 sec
In una certa località è mezzogiorno quando il Sole culmina sul meridiano del luogo, ovvero quando raggiunge il punto più alto nel suo moto apparente da est a ovest.


Ora, il Sole non può essere contemporaneamente in culminazione in due città che si trovino su diversi meridiani. Ad esempio, il sole non può essere contemporaneamente nel punto più alto del cielo a Venezia e a Milano, dato che la città veneta si trova più a est rispetto al capoluogo lombardo. Quando a Venezia è mezzogiorno, a Milano, che si trova più ad ovest, il Sole deve ancora giungere nel suo punto più alto: mancherà qualche minuto a mezzogiorno!
Per evitare che i differenti luoghi di uno stesso stato presentino ore diverse, è stato stabilito di dividere la superficie terrestre in 24 spicchi aventi un’ampiezza longitudinale di 15° l’uno. Tali spicchi sono detti fusi orari: all'interno di ciascun fuso, tutti gli orologi segnano la stessa ora convenzionale. In linea generale, i fusi orari corrispondono ai meridiani, ma sono stati opportunamente modificati per seguire i confini politici degli stati. Stati molto estesi in longitudine, come gli Stati Uniti, utilizzano naturalmente più di un fuso. Il primo fuso coincide convenzionalmente con il meridiano passante per il Royal Greenwich Observatory, in Inghilterra (meridiano di Greenwich).
Mappa dei fusi orari, tratta da Wikipedia.

La linea di cambiamento di data è una linea convenzionale che attraversa da nord a sud l’oceano Pacifico, coincidendo in buona parte con il 180° meridiano (antimeridiano di Greenwich). 
La linea divide a metà il 12° fuso orario: le due metà del fuso si trovano alla stessa ora, ma di un giorno diverso. Per evitare disagi, la linea del cambiamento di data decorre nel mezzo dell’oceano e segue alcune deviazioni rispetto al meridiano, in modo tale da non attraversare zone abitate.

La durata dell'anno ed il calendario
Come abbiamo visto, la Terra possiede un moto di rivoluzione intorno al Sole in senso antiorario.
Il tempo necessario affinché la Terra si trovi nella stessa posizione rispetto al Sole è detto anno solare o tropico. Per stabilirne la durata è sufficiente misurare l’intervallo di tempo tra due equinozi o due solstizi dello stesso segno (esempio: il tempo che intercorre tra due equinozi di primavera). 
Questa immagine schematica mostra molto chiaramente il movimento di rivoluzione della Terra intorno al Sole e le relative date degli equinozi e del solstizi. L'immagine proviene da un interessante articolo "Moto di rivoluzione terrestre" di Scienze a scuola.
A causa del fenomeno della precessione degli equinozi, l’anno tropico risulta pari a circa 365 giorni 5 ore e 49 minuti (365d 5h 48m 45s).
Per questo motivo, l’anno tropico non è un multiplo esatto del giorno solare medio e non inizia alle ore 00 del 1 gennaio, ma alle ore 5 e 49 minuti del 1 gennaio. Naturalmente questo lasso di tempo eccedente va recuperato per evitare il progressivo sfasamento tra anno civile e tempo astronomico. Ogni 4 anni si verifica, infatti, uno sfasamento di circa 24 ore (ovvero di circa 6 ore all'anno per 4 anni). Questo è il motivo per il quale ogni 4 anni si introduce un anno bisestile, come sarà anche questo 2012.
Uno dei primi calendari utilizzati a questo scopo è il calendario giuliano, istituito da Giulio Cesare nel 45 a.C. Il calendario giuliano prevede un anno civile di 365 giorni ed un recupero delle 6 ore ogni quattro anni  (6h x 4 anni=24h), con l’introduzione di un giorno in più. Il giorno in più veniva aggiunto tra il sesto ed il settimo giorno prima di marzo e chiamato bis sextum, da cui bisestile.
L’anno tropico non dura però esattamente 365 giorni e 6 ore, ma 365 giorni 5 ore e 49 minuti. Il calendario giuliano, recuperando 6 ore, contava circa 11 minuti in più all'anno e ciascun giorno bisestile introdotto portava uno sfasamento di circa 44 minuti rispetto al tempo astronomico.
Verso il 1500 il tempo civile aveva accumulato uno sfasamento di circa 10 giorni rispetto al tempo astronomico. Nel 1582 papa Gregorio XIII riformò il calendario. 
Vennero dapprima soppressi i 10 giorni che si erano accumulati (si passò dal 4 ottobre del 1582 al 15 ottobre del 1582) ed il calendario giuliano venne sostituito dal calendario gregoriano, lo stesso che si usa ancora oggi.
Poiché gli 11 minuti contati in più ogni anno sfasano il calendario giuliano di circa 3 giorni ogni 400 anni, il calendario gregoriano introduce un nuovo meccanismo per eliminare appunto 3 giorni ogni 400 anni. Tale meccanismo prevede che siano bisestili gli anni divisibili per quattro a eccezione di quelli centenari non multipli di 400. Così il 1600 fu un anno bisestile, ma il 1700 e il 1800 furono anni comuni.


Il tempo nel tempo
Infine, se vi interessa l'argomento e volete approfondirlo anche da un punto di vista storico vi consiglio questo interessante link: Il tempo: dove, quando e come è stato misurato.
Tania Tanfoglio


Fonti:

"Tempo." Microsoft® Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007.
"Calendario." Microsoft® Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007.
"Terra." Microsoft® Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007.
http://it.wikipedia.org/wiki/Tempo
http://it.wikipedia.org/wiki/Moti_della_Terra
http://it.wikipedia.org/wiki/Calendario
http://it.wikipedia.org/wiki/Calendario_giuliano
http://it.wikipedia.org/wiki/Calendario_gregoriano

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