Хочаце, верце, хочаце не, але замест кілаграма яблыкаў або груш вы можаце прасіць, каб вам прадалі патрэбную колькасць у секундах.
Сучасная цывілізацыя была б немагчымай без вымярэнняў, а вымярэнні былі б бессэнсоўнымі, калі б ва ўсім свеце не выкарыстоўвалі адны і тыя ж адзінкі вымярэння. На працягу доўгіх гадоў (амаль 150) навукоўцы-метролагі свету ўзгаднялі строгія вызначэнні адзінак вымярэння праз Міжнароднае бюро мер і вагаў (BIPM), размешчанае ў Францыі, недалёка ад Парыжа. У наш час BIPM рэгулюе сем асноўных адзінак, якія кіруюць часам, даўжынёй, масай, электрычным токам, тэмпературай, інтэнсіўнасцю святла і колькасцю рэчыва. Разам гэтыя адзінкі ёсць не што іншае, як мова сучаснай навукі, тэхнікі і гандлю.
Але навукоўцы ўвесь час удакладняюць гэтыя агульнапрынятыя стандарты. У 2018 годзе зацвердзілі новыя вызначэнні кілаграма (масы), ампера (сілы току), кельвіна (тэмпературы) і молячы (колькасці рэчыва). Гучыць фантастычна, але зараз, за выключэннем молячы, усе стандарты падпарадкаваны аднаму часу. Метр, напрыклад, вызначаецца як адлегласць, якое святло праходзіць у вакууме за 1/299-ю долю секунды. Дакладна гэтак жа зараз вызначэнне кілаграма заснавана на секундзе і разабрацца, як так, не тое каб вельмі складана.
Гэта азначае, што тэарэтычна, хай і не ўсім навакольным будзе зразумела, вы можаце вызначаць вагу ці даўжыню ў секундах.
Навука не стаіць на месцы, зараз вырашылі ўзяцца за секунду і даць ёй новае вызначэнне, праўда, прызнаючы, што ўся архітэктура глабальных вымярэнняў залежыць ад гэтай велічыні, яе працягласць абяцаюць не мяняць. Заінтрыгаваныя? Тады нырнем у гісторыю пытання.
Некалі людзі вызначалі час, гледзячы на неба. Але з 1967 года метролагі дамовіліся вызначаць час, вымяраючы працэсы ўнутры атама, адлічваючы, прыгожа гаворачы, вечнае сэрцабіцце Сусвету. Але час па-ранейшаму цесна звязаны з прынцыпамі яго астранамічнага вымярэння. Першапачаткова час вызначалі па шляху Зямлі ў яе штодзённым кручэнні, ад дня да ночы і зваротна. У нейкі момант старажытнаегіпецкія астраномы, якія выкарыстоўвалі дванаццатковую сістэму рахунку (заснаваную на 12), падзялілі дзень і ноч на 12 гадзін кожны, што дало 24 гадзіны ў сутках.
Але гадзіннік адрозніваўся па працягласці ў залежнасці ад таго, дзе Зямля знаходзілася на сваёй арбіце вакол Сонца. Крыху больш за 2000 гадоў таму грэцкія астраномы, якім спатрэбіліся фіксаваныя велічыні для разліку, напрыклад, руху Месяца, прапанавалі рэвалюцыйную ідэю - адзін дзень варта дзяліць на 24 гадзіны аднолькавай працягласці. Тое ж самае «астранамічнае» мысленне прывяло іх да таго, што старажытны вавілонскі метад рахункі да 60 (шасцідзесяцірычная сістэма) ужылі да гадзін. Гэтак жа, як яны падзялілі 360 градусаў круга або сферы Зямлі на 60 частак або хвілін, яны падзялілі кожную хвіліну на 60 секунд.
Першае дзяленне сутак (вядомае на латыні як partes minutae primae) дало ім працягласць хвіліны, якая складала 1/1440-ю частку сярэдняга сонечнага дня. Другое дзяленне (partes minutae secundae) дало ім працягласць - а заадно і назва - секунды, якая складала 1/86 400-ю частку дня. Фактычна гэтае азначэнне праіснавала да 1967 года.
Але праблемы не зніклі. Зямля паступова запавольвае сваё сутачнае кручэнне; дні становяцца крыху даўжэй, і астранамічная секунда таксама. Гэтыя невялікія адрозненні складаюцца. Пішуць, што, грунтуючыся на экстрапаляцыі гістарычных зацьменняў і іншых назіранняў, Зямля як інструмент вызначэння часу (як гадзіннік!) страціла больш за тры гадзіны за апошнія 2000 гадоў - для наручнага хранометра не такі ўжо і дрэнны вынік, але не падыходзіць для навуковага падыходу.
Бо так атрымліваецца, што стандартная адзінка часу, заснаваная на астранамічным вылічэнні, нясталая, і гэтая рэальнасць станавілася ўсё больш невыноснай для метролагаў у першыя дзесяцігоддзі мінулага стагоддзі, калі яны выявілі, наколькі нераўнамерным было кручэнне Зямлі. А навука патрабуе сталасці і надзейнасці. Як і час - да канца 1960-х грамадства ўсё больш залежала ад частот радыёсігналаў, якія патрабавалі надзвычай дакладнай сінхранізацыі.
У стагоддзе атама метролагі звярнуліся да атама, дакладней, да значна больш прадказальнага руху атамных часціц. Атамы ніколі не зношваюцца і не запавольваюцца. Іх уласцівасці не мяняюцца з часам. Ідэальны гадзіннік. Сустракайце цэзій-133.
Цэзій, серабрыста-залацісты метал, вадкі пры пакаёвай тэмпературы, мае цяжкія, павольныя атамы, што азначае, што іх адносна лёгка адсачыць. Навукоўцы змясцілі атамы цэзію ў вакуум і падвергнулі іх уздзеянню энергіі мікрахваляў у нябачным дыяпазоне электрамагнітнага поля. Задача складалася ў тым, каб высветліць, якая даўжыня хвалі ці частата прымусіць як мага больш атамаў цэзію выпраменьваць пакет святла ці фатон. Фатоны ўлоўліваліся дэтэктарам і падлічваліся. У выніку даўжыня хвалі была пазначана як уласная рэзанансная частата атама.
Для прастаты ўявіце сабе ківач. Маятнік, які працуе ў рытме, унікальным для гэтага тыпу атама. У выпадку з цэзіем-133 частата складае 9 192 тактаў у секунду. Даўжыня секунды, якая выкарыстоўваецца ў эксперыменце, была заснавана на працягласці дня ў 631 годзе, калі праводзіліся першапачатковыя навуковыя эксперыменты. Да 77 года метролагі з Бюро мер і вагаў усталявалі рэзанансную частату цэзію-1957 у якасці афіцыйнай працягласці секунды.
Нягледзячы на гэтае азначэнне, заснаванае на цэзіі, астранамічны час і атамны час па-ранейшаму непарыўна звязаныя. Па-першае, атамны час часам неабходна карэктаваць, каб яно адпавядала астранамічнаму часу, таму што Зямля працягвае змяняць свой тэмп з нерэгулярнай хуткасцю, у той час як атамны час застаецца пастаянным. Калі атамны час становіцца амаль на адну секунду хутчэй, чым астранамічны час, хранаметрысты на імгненне спыняюць яго, дазваляючы Зямлі нагнаць упушчанае - яны дадаюць дадатковую секунду ў год.
Такім чынам, хоць працягласць секунды не мяняецца, час ад часу мяняецца працягласць хвіліны. Пасля першапачатковага дадання 10 дадатковых секунд у 1972 году хранаметрысты зараз дадаюць дадатковую секунду да атамнага часу прыкладна кожныя паўтара гады.
Акрамя таго, як бы дзіўна гэта ні гучала, мы дагэтуль адлічваем секунды эры 1957 гады, нават з нашымі сучаснымі атамнымі гадзінамі. Гэта звязана з тым, што ўласная рэзанансная частата цэзію-133 была вымераная ў 1957 годзе і прывязана да працягласці астранамічнай секунды ў тым жа годзе, і гэты факт не зменіцца, нават калі значэнне секунды будзе перавызначана яшчэ раз.
Але калі так, то навошта секундзе новае азначэнне? Усяму віной чарговае навуковае вынаходства – аптычны атамны гадзіннік. Яны працуюць па тых жа прынцыпах, што і цэзіевыя гадзіны, але вымяраюць атамы, якія маюць значна больш высокую натуральную рэзанансную частату (умоўна, ціканне). Гэтыя частоты знаходзяцца ў бачным ці аптычным дыяпазоне электрамагнітнага спектру, а не ў мікрахвалевым дыяпазоне, адгэтуль і назоў.
Існуе некалькі відаў аптычных гадзін, кожны з якіх адлічвае "цікі" асобнага атама або іёна - ітэрбія, стронцыя, ртуці, алюмінія і іншых.
Навошта, пытаецца, патрэбна яшчэ большая дакладнасць? Збольшага таму, што час - ён не сам па сабе; яно звязана з гравітацыяй і масай і знаходзіцца пад іх уплывам. Час (фанфары!) таксама не з'яўляецца пастаянным, няхай і можна зрабіць такую здагадку, ведаючы пра існаванне міжнароднага стандарту. Тэорыя адноснасці Альберта Эйнштэйна, напрыклад, мяркуе, што час рухаецца павольней, калі яно знаходзіцца зблізку масіўнага цела, як планета, таму што яно запавольваецца пад дзеяннем гравітацыі.
Гэта азначае, што, калі ход аптычных гадзін зменіцца, няхай нават вельмі нязначна, фізічныя ўмовы, у якіх знаходзяцца гадзіннік, таксама могуць змяніцца. Кажуць, здольнасць счытваць гэтыя змены адчыняе нам магчымасць выяўляць з дапамогай аптычных атамных гадзін такія аб'екты, як цёмная матэрыя ці гравітацыйныя хвалі. Жудасць, праўда? Чытайце далей.
У 2015 годзе амерыканскія фізікі толькі пачыналі распрацоўваць свой аптычны атамны гадзіннік, пры гэтым яго збянтэжыў той факт, што секунды адлічваліся крыху па-рознаму ў гадзінніку, які знаходзіўся ў лабараторыях, размешчаных па розных адрасах. Тэорыя адноснасці ў дзеянні? Ці могуць аптычныя гадзіны рэагаваць на невялікія змены гравітацыі? Замовілі вымярэнні розніцы ў вышыні паміж лабараторыямі, дзе стаяў гадзіннік, бо, як і час, вышыня звязана з гравітацыяй і масай. Гадзіннік сапраўды знаходзіўся на рознай вышыні. Іх злёгку адрозныя вымярэнні часу ўлоўлівалі малаважныя змены ў гравітацыйным полі. Аптычны гадзіннік, які быў усяго на адзін сантыметр вышэй за іншых, ішоў хутчэй!
Прадказанне Эйнштэйна аб тым, што маса і гравітацыя робяць з часам, насамрэч не такое ўжо неверагоднае. Засталося навучыцца выкарыстоўваць яго на практыцы.
