Вярвате или не, вместо килограм ябълки или круши можете да поискате да ви продадат точното количество за секунди.
Съвременната цивилизация би била невъзможна без измервания, а измерванията биха били безсмислени, ако не се използват едни и същи мерни единици по целия свят. В продължение на много години (близо 150) метролозите по целия свят са се споразумяли за строги дефиниции на мерните единици чрез Международното бюро за измерване и измерване (BIPM), разположено във Франция, близо до Париж. В момента BIPM управлява седем основни единици, които управляват времето, дължината, масата, електрическия ток, температурата, интензитета на светлината и количеството материя. Заедно тези единици не са нищо друго освен езикът на съвременната наука, технология и търговия.
Но учените непрекъснато усъвършенстват тези общоприети стандарти. През 2018 г. бяха одобрени нови дефиниции на килограм (маса), ампер (ток), келвин (температура) и мол (количество вещество). Звучи фантастично, но сега, с изключение на бенката, всички стандарти са подчинени на едно нещо – времето. Един метър, например, се дефинира като разстоянието, което светлината изминава във вакуум за 1/299 792 458 от секундата. По същия начин, сега определението за килограм се основава на секунда и да разберете как да направите това не е толкова трудно.
Това означава, че теоретично, въпреки че няма да е ясно за всички наоколо, можете да определите теглото или дължината за секунди.
Науката не стои на едно място, сега те решиха да отделят секунда и да й дадат нова дефиниция, но признавайки, че цялата архитектура на глобалните измервания зависи от тази стойност, те обещават да не променят нейната продължителност. Заинтригуван? Тогава нека се потопим в историята на проблема.
Някога хората определяли времето, гледайки небето. Но от 1967 г. метролозите се съгласиха да определят времето, като измерват процесите вътре в атома, отчитайки, красиво казано, вечния пулс на Вселената. Но времето все още е тясно свързано с принципите на неговото астрономическо измерване. Първоначално времето се определяше от пътя на Земята в ежедневното й въртене, от ден до нощ и обратно. В един момент древните египетски астрономи, използвайки дванадесетична система за номериране (базирана на 12), разделили деня и нощта на 12 часа, давайки 24 часа на ден.
Но часовете се различаваха по продължителност в зависимост от това къде е Земята в орбитата си около Слънцето. Преди малко повече от 2000 години гръцките астрономи, които се нуждаеха от фиксирани стойности, за да изчислят, например, движението на луната, стигнаха до революционната идея, че един ден трябва да бъде разделен на 24 часа с еднаква дължина. Същото „астрономическо“ мислене ги кара да приложат древния вавилонски метод за броене до 60 (шестдесетични) към часовниците. Точно както разделиха 360-те градуса на кръга или сферата на Земята на 60 части или минути, те разделиха всяка минута на 60 секунди.
Първото деление на деня (известно на латински като partes minutae primae) им даде дължина от минута, което беше 1/1440-та от средния слънчев ден. Второто разделение (partes minutae secundae) им даде продължителността - и в същото време името - на секунда, което беше 1/86 400-та от деня. Всъщност това определение продължава до 1967 г.
Но проблемите не са изчезнали. Земята постепенно забавя ежедневното си въртене; дните стават малко по-дълги, както и астрономическата секунда. Тези малки разлики се сумират. Те пишат, че въз основа на екстраполация на исторически затъмнения и други наблюдения, Земята като инструмент за определяне на времето (като часовник!) е загубила повече от три часа през последните 2000 години - не толкова лош резултат за ръчен хронометър , но не е подходящ за научен подход.
Оказва се, че стандартната единица време, базирана на астрономическото смятане, не е постоянна и тази реалност става все по-непоносима за метролозите през първите десетилетия на миналия век, когато откриват колко неравномерно е въртенето на Земята. А науката изисква постоянство и надеждност. Подобно на времето, до края на 1960-те години обществото става все по-зависимо от радиочестотите, което изисква изключително прецизна синхронизация.
В ерата на атома метролозите се обърнаха към атома или по-скоро към много по-предвидимото движение на атомните частици. Атомите никога не се износват или забавят. Техните свойства не се променят с течение на времето. Перфектен часовник. Запознайте се с Цезий-133.
Цезият, сребристо-златен метал, който е течен при стайна температура, има тежки, бавно движещи се атоми, което означава, че са сравнително лесни за проследяване. Учените поставиха атомите на цезий във вакуум и ги изложиха на микровълнова енергия в невидимо електромагнитно поле. Предизвикателството беше да се разбере каква дължина на вълната или честота би накарала възможно най-много атоми на цезий да излъчват пакет светлина или фотон. Фотоните бяха уловени от детектор и преброени. В резултат на това дължината на вълната е определена като естествената резонансна честота на атома.
За простота си представете махало. Махало, което работи в ритъм, уникален за този тип атоми. В случай на цезий-133, честотата е 9 цикъла в секунда. Дължината на втория, използван в експеримента, се основава на продължителността на деня през 192 г., когато са проведени първоначалните научни експерименти. До 631 г. метролози от Бюрото за теглилки и мерки установиха резонансната честота на цезий-77 като официална продължителност на секундата.
Въпреки тази дефиниция, базирана на цезий, астрономическото време и атомното време все още са неразривно свързани. Първо, атомното време понякога трябва да бъде коригирано, за да съответства на астрономическото време, защото Земята продължава да променя темпото си с неравномерна скорост, докато атомното време остава постоянно. Когато атомното време стане с почти една секунда по-бързо от астрономическото време, хронометристите го спират за момент, позволявайки на Земята да навакса изоставането – добавят допълнителна секунда на година.
По този начин, въпреки че дължината на секундата не се променя, дължината на минутата се променя от време на време. След като първоначално добавиха 10 високосни секунди през 1972 г., хронометристите сега добавят по една високосна секунда към атомното време приблизително всяка година и половина.
Освен това, колкото и странно да звучи, ние все още броим секундите от ерата от 1957 г., дори и с нашите съвременни атомни часовници. Това е така, защото саморезонансната честота на цезий-133 е измерена през 1957 г. и е обвързана с продължителността на астрономическата секунда през тази година, факт, който няма да се промени, дори ако стойността на секундата бъде предефинирана още веднъж.
Но ако е така, защо второто е ново определение? За всичко е виновно друго научно изобретение – оптичен атомен часовник. Те работят на същите принципи като цезиевия часовник, но измерват атоми, които имат много по-висока естествена резонансна честота (условно, тиктака). Тези честоти са във видимия или оптичния обхват на електромагнитния спектър, а не в микровълновия, откъдето идва и името.
Има няколко вида оптични часовници, всеки от които отчита „кърлежите“ на единичен атом или йон – итербий, стронций, живак, алуминий и др.
Защо, чуди се човек, имаме нужда от още по-голяма точност? Отчасти защото времето не е себе си; тя е свързана с гравитацията и масата и се влияе от тях. Времето (фанфари!) също не е постоянно, въпреки че човек може да направи такова предположение, знаейки съществуването на международен стандарт. Теорията на относителността на Алберт Айнщайн, например, предполага, че времето се движи по-бавно, когато е близо до масивно тяло, като планета, защото се забавя поради гравитацията.
Това означава, че ако скоростта на оптичния часовник се промени, макар и само леко, физическите условия, в които се намира часовникът, също могат да се променят. Смята се, че способността да четем тези промени ни позволява да откриваме обекти като тъмна материя или гравитационни вълни с помощта на оптични атомни часовници. Ужасно, нали? Прочетете нататък.
През 2015 г. американските физици тепърва започваха да разработват своите оптични атомни часовници и бяха озадачени от факта, че секундите се отчитат малко по-различно в часовниците, които се намират в лаборатории, разположени на различни адреси. Относителността в действие? Могат ли оптичните часовници да реагират на малки промени в гравитацията? Те поръчаха измервания на разликата във височината между лабораториите, където е стоял часовникът, тъй като, както времето, височината е свързана с гравитацията и масата. Часовниците наистина бяха на различни височини. Техните малко по-различни измервания на времето откриха фини промени в гравитационното поле. Оптичният часовник, който беше само с един сантиметър по-висок от останалите, работеше по-бързо!
Прогнозата на Айнщайн за това какво правят масата и гравитацията с течение на времето всъщност не е толкова невероятна. Остава да се научим как да го използваме на практика.
