صدق أو لا تصدق ، بدلاً من كيلوغرام من التفاح أو الكمثرى ، يمكنك أن تطلب أن تبيع الكمية المناسبة في ثوانٍ.
ستكون الحضارة الحديثة مستحيلة بدون القياسات ، وستكون القياسات بلا معنى إذا لم يتم استخدام نفس وحدات القياس في جميع أنحاء العالم. لسنوات عديدة (ما يقرب من 150) ، اتفق علماء المقاييس في جميع أنحاء العالم على تعريفات صارمة لوحدات القياس من خلال المكتب الدولي des Poids et Mesures (BIPM) ، الموجود في فرنسا ، بالقرب من باريس. يتحكم BIPM حاليًا في سبع وحدات أساسية تحكم الوقت والطول والكتلة والتيار الكهربائي ودرجة الحرارة وشدة الضوء وكمية المادة. هذه الوحدات معًا ليست سوى لغة العلوم والتكنولوجيا والتجارة الحديثة.
لكن العلماء يعملون باستمرار على تنقيح هذه المعايير المقبولة عمومًا. في عام 2018 ، تمت الموافقة على تعريفات جديدة للكيلوغرام (الكتلة) والأمبير (التيار) والكلفن (درجة الحرارة) والمول (كمية المادة). يبدو الأمر رائعًا ، ولكن الآن ، باستثناء الخلد ، تخضع جميع المعايير لشيء واحد - الوقت. يتم تعريف المتر ، على سبيل المثال ، على أنه المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ في 1 / 299،792،458 جزء من الثانية. وبنفس الطريقة ، فإن تعريف الكيلوغرام الآن يعتمد على ثانية ، ومعرفة كيفية القيام بذلك ليس بهذه الصعوبة.
هذا يعني أنه من الناحية النظرية ، على الرغم من أنه لن يكون واضحًا للجميع من حولك ، يمكنك تحديد الوزن أو الطول بالثواني.
لا يقف العلم ساكناً ، فقد قرروا الآن أخذ ثانية وإعطائه تعريفًا جديدًا ، ومع ذلك ، مع إدراك أن البنية الكاملة للقياسات العالمية تعتمد على هذه القيمة ، فإنهم يعدون بعدم تغيير مدتها. مفتون؟ ثم دعونا نتعمق في تاريخ المشكلة.
بمجرد أن يحدد الناس الوقت من خلال النظر إلى السماء. ولكن منذ عام 1967 ، اتفق علماء المقاييس على تحديد الوقت من خلال قياس العمليات داخل الذرة ، والعد ، بشكل جميل ، نبض القلب الأبدي للكون. لكن الوقت لا يزال وثيق الصلة بمبادئ قياسه الفلكي. في البداية ، تم تحديد الوقت من خلال مسار الأرض في دورانها اليومي ، من النهار إلى الليل والعودة. في مرحلة ما ، استخدم علماء الفلك المصريون القدماء نظام الترقيم الاثنا عشري (استنادًا إلى 12) ، حيث قسموا النهار والليل إلى 12 ساعة لكل منهما ، بحيث يكون كل منهما 24 ساعة في اليوم.
لكن الساعات اختلفت في المدة حسب مكان الأرض في مدارها حول الشمس. منذ ما يزيد قليلاً عن 2000 عام ، توصل علماء الفلك اليونانيون الذين كانوا بحاجة إلى قيم ثابتة لحساب ، على سبيل المثال ، حركة القمر ، إلى فكرة ثورية مفادها أنه يجب تقسيم يوم واحد إلى 24 ساعة متساوية الطول. قادهم نفس التفكير "الفلكي" إلى تطبيق الطريقة البابلية القديمة في العد حتى 60 (ستيني) على الساعات. مثلما قسموا 360 درجة من دائرة أو كرة الأرض إلى 60 جزءًا أو دقيقة ، فقد قسموا كل دقيقة إلى 60 ثانية.
أعطاهم التقسيم الأول لليوم (المعروف باللاتينية باسم partes minutae primae) طول الدقيقة ، والتي كانت 1/1440 من اليوم الشمسي المتوسط. أعطاهم التقسيم الثاني (partes minutae secundae) المدة - وفي نفس الوقت الاسم - للقسم الثاني ، والذي كان 1/86 من اليوم. في الواقع ، استمر هذا التعريف حتى عام 400.
لكن المشاكل لم تختف. تعمل الأرض على إبطاء دورانها اليومي تدريجيًا ؛ الأيام تطول قليلاً ، وكذلك الثانية الفلكية. هذه الاختلافات الصغيرة تتضافر. لقد كتبوا أنه بناءً على استقراء الخسوف التاريخي والملاحظات الأخرى ، فإن الأرض كأداة لتحديد الوقت (مثل الساعة!) قد فقدت أكثر من ثلاث ساعات على مدار 2000 عام الماضية - وهذه ليست نتيجة سيئة لكرونومتر المعصم ، ولكنها غير مناسبة لمنهج علمي.
اتضح أن الوحدة الزمنية القياسية القائمة على حساب التفاضل والتكامل الفلكي ليست ثابتة ، وأصبح هذا الواقع لا يطاق على نحو متزايد بالنسبة لعلماء المقاييس في العقود الأولى من القرن الماضي ، عندما اكتشفوا مدى تفاوت دوران الأرض. والعلم يتطلب الثبات والموثوقية. مثل الوقت ، بحلول نهاية الستينيات ، كان المجتمع يعتمد بشكل متزايد على الترددات الراديوية ، الأمر الذي تطلب تزامنًا دقيقًا للغاية.
في عصر الذرة ، تحول علماء المقاييس إلى الذرة ، أو بالأحرى ، إلى الحركة الأكثر توقعًا للجسيمات الذرية. الذرات لا تبلى أبدا أو تبطئ. لا تتغير خصائصهم بمرور الوقت. ساعة مثالية. تعرف على السيزيوم 133.
السيزيوم ، معدن فضي-ذهب سائل في درجة حرارة الغرفة ، له ذرات ثقيلة بطيئة الحركة ، مما يعني سهولة تتبعها نسبيًا. وضع العلماء ذرات السيزيوم في فراغ وعرضوها لطاقة الميكروويف في مجال كهرومغناطيسي غير مرئي. كان التحدي هو معرفة الطول الموجي أو التردد الذي من شأنه أن يتسبب في إطلاق أكبر عدد ممكن من ذرات السيزيوم حزمة من الضوء ، أو فوتون. تم التقاط الفوتونات بواسطة كاشف وعدها. نتيجة لذلك ، تم تحديد الطول الموجي على أنه تردد الرنين الطبيعي للذرة.
من أجل البساطة ، تخيل البندول. بندول يعمل بإيقاع فريد لهذا النوع من الذرة. في حالة السيزيوم 133 ، يكون التردد 9 دورة في الثانية. استند طول الثانية المستخدمة في التجربة على طول اليوم في عام 192 ، عندما أجريت التجارب العلمية الأصلية. بحلول عام 631 ، كان علماء المقاييس من مكتب الأوزان والمقاييس قد حددوا تردد الرنين للسيزيوم -77 كمدة رسمية للثاني.
على الرغم من هذا التعريف القائم على السيزيوم ، لا يزال الوقت الفلكي والوقت الذري مرتبطين ارتباطًا وثيقًا. أولاً ، يحتاج الوقت الذري أحيانًا إلى التصحيح لمطابقة الوقت الفلكي لأن الأرض تستمر في تغيير وتيرتها بمعدل غير منتظم بينما يظل الوقت الذري ثابتًا. عندما يصبح الوقت الذري أسرع بمقدار ثانية واحدة تقريبًا من الوقت الفلكي ، يوقفه مراقبو الوقت للحظة ، مما يسمح للأرض باللحاق بالركب — يضيفون ثانية إضافية كل عام.
وهكذا ، على الرغم من أن طول الثانية لا يتغير ، فإن طول الدقيقة يتغير من وقت لآخر. بعد إضافة 10 ثوانٍ كبيسة في البداية في عام 1972 ، يضيف منظمو الوقت الآن ثانية كبيسة إلى الوقت الذري تقريبًا كل عام ونصف.
أيضًا ، بقدر ما يبدو الأمر غريبًا ، ما زلنا نحسب الثواني من حقبة 1957 ، حتى مع ساعاتنا الذرية الحديثة. هذا لأن تردد الرنين الذاتي للسيزيوم -133 تم قياسه في عام 1957 وربطه بمدة الثانية الفلكية في تلك السنة ، وهي حقيقة لن تتغير حتى لو تم إعادة تعريف قيمة الثانية مرة أخرى.
ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فلماذا يعتبر الثاني تعريفًا جديدًا؟ إنه خطأ اختراع علمي آخر - ساعة ذرية ضوئية. إنهم يعملون على نفس مبادئ ساعة السيزيوم ، لكنهم يقيسون الذرات التي لها تردد رنين طبيعي أعلى بكثير (شرطيًا ، موقوتة). هذه الترددات موجودة في النطاق المرئي أو البصري للطيف الكهرومغناطيسي وليس في نطاق الميكروويف ، ومن هنا جاء الاسم.
هناك عدة أنواع من الساعات الضوئية ، يحسب كل منها "علامات" ذرة واحدة أو أيون - الإيتربيوم والسترونتيوم والزئبق والألمنيوم وغيرها.
لماذا ، يتساءل المرء ، هل نحتاج إلى مزيد من الدقة؟ يعود ذلك جزئيًا إلى أن الوقت ليس في حد ذاته ؛ يرتبط بالجاذبية والكتلة ويتأثر بهما. الوقت (ضجة!) ليس ثابتًا أيضًا ، على الرغم من أنه يمكن للمرء أن يفترض مثل هذا الافتراض ، مع العلم بوجود معيار دولي. نظرية النسبية لألبرت أينشتاين ، على سبيل المثال ، تقترح أن الوقت يتحرك ببطء أكثر عندما يكون بالقرب من جسم ضخم ، مثل كوكب ، لأنه يتباطأ بسبب الجاذبية.
هذا يعني أنه إذا تغير معدل الساعة الضوئية ، حتى ولو بشكل طفيف ، فقد تتغير أيضًا الظروف المادية التي تقع فيها الساعة. يقال إن القدرة على قراءة هذه التغييرات تمكننا من اكتشاف أشياء مثل المادة المظلمة أو موجات الجاذبية باستخدام الساعات الذرية الضوئية. فظيع ، أليس كذلك؟ واصل القراءة.
في عام 2015 ، كان الفيزيائيون الأمريكيون قد بدأوا للتو في تطوير ساعاتهم الذرية الضوئية ، وقد شعروا بالحيرة من حقيقة أن حساب الثواني كان مختلفًا قليلاً في الساعات التي كانت موجودة في مختبرات تقع في عناوين مختلفة. النسبية في العمل؟ هل يمكن للساعات الضوئية الاستجابة لتغيرات طفيفة في الجاذبية؟ لقد أمروا بقياسات الفرق في الارتفاع بين المعامل حيث تقف الساعة ، لأنه ، مثل الوقت ، الارتفاع مرتبط بالجاذبية والكتلة. كانت الساعات حقًا على ارتفاعات مختلفة. كشفت قياساتهم الزمنية المختلفة قليلاً عن تغييرات طفيفة في مجال الجاذبية. كانت الساعة الضوئية ، التي يزيد ارتفاعها عن الآخرين سنتيمترًا واحدًا ، أسرع!
إن تنبؤ أينشتاين بشأن ما تفعله الكتلة والجاذبية بمرور الوقت ليس حقًا مذهلًا. يبقى أن نتعلم كيفية استخدامه في الممارسة.
