Doba ma 24 godziny, 60 minut w godzinie i 60 sekund w minucie – więc z pewnością sekunda to tylko 1/(24✕60✕60) lub 1/86400 dnia, prawda? Okazuje się, że zdefiniowanie czasu nie jest takie proste.
Długość sekundy zależy od tego, jak ją mierzymy. Przyzwyczailiśmy się myśleć o sekundzie jako o stałym odstępie czasu, ale ta mała jednostka czasu zmieniała się kilka razy na przestrzeni wieków „Początkowo druga ocena opierała się na długości dnia” – powiedział dla serwisu Live Science Peter Whibberley, starszy naukowiec w National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii. „Ludzie obserwowali przejście słońca nad głową i zaczęli mierzyć jego ruch za pomocą zegarów słonecznych. Tego typu urządzenia podają czas bezpośrednio na podstawie położenia słońca na niebie, co nazywa się pozornym czasem słonecznym”.
Zegary słoneczne mają jednak kilka wad. Oprócz oczywistego problemu polegającego na braku możliwości odczytania zegara słonecznego, gdy słońce nie jest widoczne, poleganie na dziennym obrocie Ziemi (znanym również jako czas astronomiczny) jest zaskakująco niedokładne.
„Rotacja nie jest dokładnie stała” – powiedział Whibberley. „Ziemia z biegiem czasu przyspiesza i zwalnia. Występują wahania sezonowe, duże, nieprzewidywalne wahania z dekady na dekadę spowodowane zmianami w stopionym jądrze oraz długoterminowe spowolnienie spowodowane cofaniem się i przypływem pływów”.
Jak więc precyzyjnie mierzyć czas, skoro wykorzystanie długości dnia jest tak zawodne?
W XVI wieku ludzie zwrócili się ku technologicznym rozwiązaniom tego problemu i zaczęły pojawiać się pierwsze rozpoznawalne zegary mechaniczne. „Zasadniczy proces tworzenia zegara przesunął się od pomiaru czasu poprzez śledzenie położenia słońca do zbudowania oscylatora i zdefiniowania stałej liczby oscylacji odpowiadających jednej sekundzie” – powiedział dla Live Science Sumit Sarkar, fizyk z Uniwersytetu w Amsterdamie.
Najwcześniejszymi przykładami były mechaniczne zegary wahadłowe, które zaprojektowano tak, aby tykały z określoną częstotliwością, odpowiadającą sekundzie astronomicznej, uśrednionej w ciągu roku. W ciągu następnych kilkuset lat naukowcy pracowali nad konstruowaniem lepszych, bardziej precyzyjnych oscylatorów i opracowali niezliczone inne systemy pomiaru czasu, w tym sprężyny i koła zębate.
Około 1940 roku zegary z kryształu kwarcowego stały się nowym złotym standardem. „Jeśli przyłożymy napięcie do starannie ukształtowanego kawałka kwarcu, zacznie on wibrować i można bardzo precyzyjnie dostroić częstotliwość tych oscylacji” – powiedział Sarkar. „Ale chociaż ta precyzja jest dobra do zastosowań ogólnych, nie jest wystarczająco dobra do zastosowań naprawdę technicznych, takich jak internet, systemy GPS czy badania”.
Problemy pojawiają się, ponieważ każdy kawałek kwarcu jest wyjątkowy i rezonuje nieco inaczej w zależności od warunków fizycznych, takich jak temperatura i ciśnienie. Aby zegary były naprawdę dokładne, należy je ustawić w oparciu o jakieś niezależne, niezmienne odniesienie. Tutaj z pomocą przychodzą zegary atomowe.
„Atomy mają naturalne, stałe rezonanse. Istnieją tylko w określonych stanach energetycznych i mogą przechodzić z jednego stanu do drugiego jedynie poprzez pochłanianie lub emitowanie określonej ilości energii” – wyjaśnił Whibberley. „Ta energia odpowiada dokładnej częstotliwości, więc można użyć tej częstotliwości jako odniesienia do pomiaru czasu”.
Pierwszy praktyczny zegar atomowy z 1955 roku, mierzył liczbę indukowanych mikrofalami przejść energetycznych w atomach cezu w ciągu jednej sekundy astronomicznej. W 1967 roku światowa społeczność naukowa zgodziła się na przedefiniowanie sekundy zgodnie z tą liczbą, a Międzynarodowy Układ Jednostek i Miar definiuje obecnie sekundę jako czas trwania 9.192.631.770 oscylacji energii w atomie cezu.
Od tego czasu sekunda astronomiczna stale się zmienia, podczas gdy sekunda atomowa utrzymuje się na poziomie dokładnie 9.192.631.770 oscylacji. Te różnice w czasie astronomicznym w rzeczywistości oznaczają, że co kilka lat naukowcy muszą dodać sekundę przestępną, aby spowolniony obrót Ziemi dotrzymał kroku czasowi atomowemu. Ta sekunda przestępna zostanie zniesiona w 2035 roku, ale naukowcy i agencje rządowe nie wymyśliły jeszcze, jak sobie poradzić z tą niewielką rozbieżnością.
Jednak naukowcy nie poprzestają na tej definicji, która jest dokładna do 10-15 s, czyli jednej biliardowej sekundy. Na całym świecie zespoły badawcze pracują nad jeszcze bardziej precyzyjnymi optycznymi zegarami atomowymi, które wykorzystują energię atomową indukowaną światłem widzialnym o wyższej energii.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Life Science
zdjęcia wykorzystane we wpisie pochodzą z Depositphotos
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.