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Gli orologi atomici e la misura del tempo

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l tempo si misura attraverso meccanismi che oscillano, e gli atomi, queste particelle infinitesimali, sono i più perfetti oscillatori naturali. Louis Essen fu il primo a costruire un orologio atomico pratico, e fu anche il primo a dare un misurazione della velocità della luce davvero precisa. Un orologio atomico è un tipo di orologio in cui la base del tempo è determinata dalla frequenza di risonanza di un atomo.

Attualmente la ricerca punta a realizzare orologi atomici più compatti, economici, accurati e affidabili. Abbiamo bisogno di misurare il tempo con precisione per poter sperimentare importanti caratteristiche della relatività. Ad esempio se vogliamo misurare la distanze presente tra la Luna e la Terra si spara un laser dalla Terra verso la Luna e si misura il tempo che esso impiega a tornare indietro, mentre più preciso è il tempo impiegato più precisa sarà la distanza ottenuta. Molto spesso infatti viene utilizzato il tempo per misurare le distanze, un altro esempio è l’anno luce che viene appunto definito come la distanza percorsa dalla luce in un anno, quindi tempi e distanze sono sempre correlati tra di loro. E quindi mentre c’è una più accurata misura dei tempi meno incertezze o errori ci saranno nella misurazione di una distanza.

Il GPS ovvero Global Positioning System,  è un sistema di posizionamento terrestre particolarmente preciso creato dal Ministero della Difesa Americano per fini militari ed in seguito utilizzato anche per scopi civili. Il funzionamento del GPS è legato a 27 satelliti orbitanti di cui 24 effettivamente operativi e tre di riserva. Le orbite sono circolari su 6 piani orbitali paralleli inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale. Questo GPS localizza 4 o più satelliti, calcola la distanza da ognuno dei satelliti, e usa i dati ricevuti per calcolare la propria posizione mediante il processo di trilaterazione. Per capire la distanza tra il receiver ed il satellite viene misurato il tempo che un segnale impiega per arrivare a terra.

Una volta che il GPS receiver ha effettuato i suoi calcoli può determinare la longitudine, la latitudine e l’altitudine, usando queste informazioni su una mappa è possibile capire perfettamente dove ci si trova, quale città, in quale strada e perfino in che senso stiamo andando. La relatività c’entra moltissimo e anche in molti modi, senza una conoscenza accurata della Teoria della Relatività Ristretta e della Teoria della Relatività Generale (la teoria completa della Gravitazione) il GPS non funzionerebbe, la relatività ristretta serve perché i satelliti si muovono rispetto al ricevitore e quindi l’orologio va più piano, la relatività generale invece perché i campi gravitazionali cambiano sia la velocità degli orologi sia la propagazione dei segnali radio, infine la Terra ruota su se stessa, inducendo effetti ulteriormente più raffinati.

Dunque la precisione della misurazione del tempo è molto importante per calcolare distanze, e serve anche per i sistemi del GPS che facendo diversi calcoli hanno bisogno di un tempo preciso per ridurre le probabilità di errore che ogni volta diminuiscono mano a mano che la misurazione del tempo diventa più precisa grazie a diverse agenzie o organizzazioni come la NIST (National Institute of Standards and Technology.