Koliko ste teški u sekundama?

Ručni sat

Vjerovali ili ne, umjesto kilograma jabuka ili krušaka, možete tražiti da vam se proda prava količina u sekundi.

Moderna civilizacija bila bi nemoguća bez mjerenja, a mjerenja bi bila besmislena da se iste mjerne jedinice ne koriste u cijelom svijetu. Već dugi niz godina (skoro 150), metrolozi širom svijeta slažu se oko striktnih definicija mjernih jedinica preko Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), koji se nalazi u Francuskoj, u blizini Pariza. BIPM trenutno upravlja sedam osnovnih jedinica koje upravljaju vremenom, dužinom, masom, električnom strujom, temperaturom, intenzitetom svjetlosti i količinom materije. Zajedno, ove jedinice nisu ništa drugo nego jezik moderne nauke, tehnologije i trgovine.

Ali naučnici neprestano usavršavaju ove opšte prihvaćene standarde. U 2018. odobrene su nove definicije kilograma (mase), ampera (struja), kelvina (temperature) i mola (količine tvari). Zvuči fantastično, ali sada, izuzev krtice, svi standardi podliježu jednoj stvari – vremenu. Metar se, na primjer, definira kao udaljenost koju svjetlost pređe u vakuumu za 1/299 sekunde. Na isti način, sada se definicija kilograma temelji na sekundi, a shvatiti kako to učiniti nije tako teško.

To znači da teoretski, iako to neće biti jasno svima okolo, možete odrediti težinu ili dužinu u sekundama.

Nauka ne miruje, sada su odlučili uzeti sekundu i dati joj novu definiciju, međutim, priznajući da cjelokupna arhitektura globalnih mjerenja ovisi o ovoj vrijednosti, obećavaju da neće mijenjati njeno trajanje. Zaintrigirani? Onda hajde da zaronimo u istoriju problema.

Nekada su ljudi određivali vrijeme gledajući u nebo. Ali od 1967. godine, metrolozi su se složili da određuju vrijeme mjerenjem procesa unutar atoma, brojeći, lijepo rečeno, vječne otkucaje srca Univerzuma. Ali vrijeme je još uvijek usko povezano sa principima njegovog astronomskog mjerenja. U početku je vrijeme bilo određeno putanjom Zemlje u njenoj dnevnoj rotaciji, od dana do noći i nazad. U nekom trenutku, drevni egipatski astronomi su, koristeći duodecimalni sistem brojanja (zasnovan na 12), podijelili dan i noć na 12 sati svaki, dajući 24 sata u danu.

Savetujemo vam da pročitate:  Ženski sat Roamer Ceraline Bijoux-Set

Ali sati su se razlikovali u trajanju u zavisnosti od toga gdje se Zemlja nalazi u svojoj orbiti oko Sunca. Prije nešto više od 2000 godina, grčki astronomi kojima su bile potrebne fiksne vrijednosti za izračunavanje, na primjer, mjesečevog kretanja, došli su na revolucionarnu ideju da jedan dan treba podijeliti na 24 sata jednake dužine. Isto "astronomsko" razmišljanje navelo ih je da primjene drevnu babilonsku metodu brojanja do 60 (šeksagezimalno) na satove. Baš kao što su podijelili 360 stepeni kruga ili sfere Zemlje na 60 dijelova ili minuta, podijelili su svaki minut na 60 sekundi.

Prva podjela dana (na latinskom poznata kao partes minutae primae) dala im je dužinu od jednog minuta, što je iznosilo 1/1440 srednjeg sunčevog dana. Druga podjela (partes minutae secundae) dala im je trajanje - a ujedno i ime - sekunde, što je iznosilo 1/86-ti dio dana. U stvari, ova definicija je trajala do 400.

Ali problemi nisu nestali. Zemlja postepeno usporava svoju dnevnu rotaciju; dani postaju malo duži, pa tako i astronomska sekunda. Ove male razlike se zbrajaju. Oni pišu da je, na osnovu ekstrapolacije istorijskih pomračenja i drugih zapažanja, Zemlja kao alat za određivanje vremena (kao sat!) izgubila više od tri sata u proteklih 2000 godina - ne tako loš rezultat za ručni hronometar , ali nije pogodan za naučni pristup.

Ispostavilo se da standardna jedinica vremena zasnovana na astronomskom proračunu nije konstantna, a ta realnost je postajala sve nepodnošljivija za metrologe u prvim decenijama prošlog veka, kada su otkrili koliko je rotacija Zemlje neravnomerna. A nauka zahtijeva postojanost i pouzdanost. Kao i vrijeme, do kraja 1960-ih, društvo je sve više ovisilo o radio frekvencijama, što je zahtijevalo izuzetno preciznu sinhronizaciju.

U doba atoma, metrolozi su se okrenuli atomu, odnosno mnogo predvidljivijem kretanju atomskih čestica. Atomi se nikada ne troše niti usporavaju. Njihova svojstva se ne mijenjaju tokom vremena. Savršen sat. Upoznajte Cezijum-133.

Cezijum, srebrno-zlatni metal koji je tečan na sobnoj temperaturi, ima teške atome koji se sporo kreću, što znači da ih je relativno lako pratiti. Naučnici su stavili atome cezijuma u vakuum i izložili ih mikrotalasnoj energiji u nevidljivom elektromagnetnom polju. Izazov je bio otkriti koja će talasna dužina ili frekvencija uzrokovati da što više atoma cezija emituje paket svjetlosti ili foton. Fotoni su uhvaćeni detektorom i prebrojani. Kao rezultat toga, valna dužina je označena kao prirodna rezonantna frekvencija atoma.

Savetujemo vam da pročitate:  Novo - ručni sat Citizen Promaster Dive 37 mm

Radi jednostavnosti, zamislite klatno. Klatno koje radi u ritmu jedinstvenom za ovu vrstu atoma. U slučaju cezijuma-133, frekvencija je 9 ciklusa u sekundi. Dužina drugog korišćenog u eksperimentu bila je zasnovana na dužini dana 192. godine, kada su izvedeni originalni naučni eksperimenti. Do 631. godine, metrolozi iz Biroa za utege i mjere su ustanovili rezonantnu frekvenciju cezijuma-77 kao službeno trajanje sekunde.

Uprkos ovoj definiciji zasnovanoj na cezijumu, astronomsko vrijeme i atomsko vrijeme su još uvijek neraskidivo povezani. Prvo, atomsko vrijeme ponekad treba korigirati kako bi odgovaralo astronomskom vremenu jer Zemlja nastavlja mijenjati svoj tempo nepravilnim tempom dok atomsko vrijeme ostaje konstantno. Kada atomsko vrijeme postane skoro jednu sekundu brže od astronomskog vremena, mjeritelji ga na trenutak zaustavljaju, dozvoljavajući Zemlji da sustigne - dodaju dodatnu sekundu godišnje.

Dakle, iako se dužina sekunde ne mijenja, dužina minute se s vremena na vrijeme mijenja. Nakon što su prvobitno dodali 10 prestupnih sekundi 1972. godine, mjeritelji vremena sada dodaju prestupnu sekundu atomskom vremenu otprilike svake godine i po.

Takođe, koliko god to čudno zvučalo, još uvijek brojimo sekunde iz ere iz 1957. godine, čak i sa našim modernim atomskim satovima. To je zato što je samorezonantna frekvencija cezijuma-133 izmjerena 1957. i vezana za trajanje astronomske sekunde u toj godini, činjenica koja se ne bi promijenila čak i kada bi se vrijednost sekunde još jednom redefinirala.

Ali ako je tako, zašto je druga nova definicija? Za sve je kriv još jedan naučni izum - optički atomski sat. Oni rade na istim principima kao i cezijumski sat, ali mjere atome koji imaju mnogo višu prirodnu rezonantnu frekvenciju (uslovno, otkucavanje). Ove frekvencije su u vidljivom ili optičkom opsegu elektromagnetnog spektra, a ne u mikrotalasnom, otuda i naziv.

Savetujemo vam da pročitate:  Integrirane narukvice za sat

Postoji nekoliko vrsta optičkih satova, od kojih svaki broji "krpelje" jednog atoma ili jona - iterbija, stroncijuma, žive, aluminijuma i drugih.

Zašto nam je, pita se, potrebna još veća tačnost? Djelomično zato što vrijeme nije samo po sebi; povezan je sa gravitacijom i masom i pod njihovim uticajem. Vrijeme (fanfare!) također nije konstantno, iako se može napraviti takva pretpostavka, znajući da postoji međunarodni standard. Teorija relativnosti Alberta Ajnštajna, na primer, sugeriše da se vreme kreće sporije kada se nalazi u blizini masivnog tela, poput planete, jer usporava zbog gravitacije.

To znači da ako se optički sat promijeni, makar i neznatno, fizički uvjeti u kojima se sat nalazi mogu se također promijeniti. Kaže se da nam sposobnost čitanja ovih promjena omogućava otkrivanje objekata kao što su tamna materija ili gravitacijski valovi pomoću optičkih atomskih satova. Užasno, zar ne? Čitaj dalje.

2015. godine američki fizičari su tek počeli da razvijaju svoje optičke atomske satove, a bili su zbunjeni činjenicom da se sekunde malo drugačije broje u satovima koji su se nalazili u laboratorijama na različitim adresama. Relativnost na djelu? Mogu li optički satovi reagirati na male promjene u gravitaciji? Naručili su mjerenje visinske razlike između laboratorija u kojima je stajao sat, jer je, kao i vrijeme, visina povezana sa gravitacijom i masom. Satovi su zaista bili na različitim visinama. Njihova malo drugačija mjerenja vremena otkrila su suptilne promjene u gravitacionom polju. Optički sat, koji je bio samo jedan centimetar viši od ostalih, trčao je brže!

Ajnštajnovo predviđanje o tome šta masa i gravitacija rade tokom vremena nije baš tako neverovatno. Ostaje naučiti kako ga koristiti u praksi.

Izvor