Věřte nebo ne, ale místo kilogramu jablek nebo hrušek můžete požádat o prodání správného množství během několika sekund.
Moderní civilizace by byla nemožná bez měření a měření by postrádala smysl, kdyby se stejné jednotky měření nepoužívaly po celém světě. Po mnoho let (téměř 150) se metrologové po celém světě shodli na přísných definicích jednotek měření prostřednictvím Mezinárodního úřadu pro měření váhy (BIPM), který sídlí ve Francii nedaleko Paříže. BIPM v současnosti řídí sedm základních jednotek, které řídí čas, délku, hmotnost, elektrický proud, teplotu, intenzitu světla a množství hmoty. Společně tyto jednotky nejsou ničím jiným než jazykem moderní vědy, techniky a obchodu.
Vědci ale tyto obecně uznávané standardy neustále zdokonalují. V roce 2018 byly schváleny nové definice kilogramu (hmotnosti), ampéru (proud), kelvinu (teplota) a molu (množství látky). Zní to fantasticky, ale nyní jsou s výjimkou krtka všechny normy podřízeny jedinému – času. Například metr je definován jako vzdálenost, kterou světlo urazí ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy. Stejně tak je nyní definice kilogramu založena na vteřině a přijít na to, jak to udělat, není tak těžké.
To znamená, že teoreticky, i když to nebude všem okolo jasné, váhu nebo délku určíte v sekundách.
Věda nestojí na místě, nyní se rozhodli udělat si vteřinu a dát jí novou definici, avšak s vědomím, že na této hodnotě závisí celá architektura globálních měření, slibují, že její trvání nezmění. Zaujatý? Pak se pojďme ponořit do historie problému.
Kdysi lidé určovali čas pohledem na oblohu. Ale od roku 1967 se metrologové dohodli, že budou určovat čas měřením procesů uvnitř atomu a počítají, krásně řečeno, věčný tep vesmíru. Čas ale stále úzce souvisí s principy jeho astronomického měření. Zpočátku byl čas určován dráhou Země při její denní rotaci, ze dne do noci a zpět. V určitém okamžiku starověcí egyptští astronomové používající duodecimální systém číslování (založený na 12) rozdělili den a noc na každou po 12 hodinách, takže den měl 24 hodin.
Ale hodiny se lišily v trvání v závislosti na tom, kde se Země nacházela na své oběžné dráze kolem Slunce. Před něco málo přes 2000 lety přišli řečtí astronomové, kteří potřebovali pevné hodnoty pro výpočet například pohybu Měsíce, s revoluční myšlenkou, že jeden den by měl být rozdělen na 24 stejně dlouhých hodin. Stejné „astronomické“ myšlení je vedlo k aplikaci starobabylonské metody počítání do 60 (sexagesimální) na hodiny. Stejně jako rozdělili 360 stupňů kruhu nebo sféry Země na 60 částí nebo minut, rozdělili každou minutu na 60 sekund.
První dělení dne (v latině známé jako partes minutae primae) jim dalo délku minuty, což byla 1/1440 středního slunečního dne. Druhé dělení (partes minutae secundae) jim dalo trvání – a zároveň jméno – sekundy, což bylo 1/86 400 dne. Ve skutečnosti tato definice trvala až do roku 1967.
Problémy ale nezmizely. Země postupně zpomaluje svou denní rotaci; dny se trochu prodlužují a astronomická sekunda také. Tyto malé rozdíly se sčítají. Píšou, že na základě extrapolace historických zatmění a dalších pozorování Země jako nástroj pro určování času (jako hodiny!) ztratila za posledních 2000 let více než tři hodiny - to není tak špatný výsledek pro náramkový chronometr. , ale není vhodný pro vědecký přístup.
Ukazuje se, že standardní časová jednotka založená na astronomickém počtu není konstantní a tato realita byla pro metrology v prvních desetiletích minulého století stále nesnesitelnější, když zjistili, jak nerovnoměrná je rotace Země. A věda vyžaduje stálost a spolehlivost. Stejně jako čas, na konci 1960. let byla společnost stále více závislá na rádiových frekvencích, což vyžadovalo extrémně přesnou synchronizaci.
V době atomu se metrologové obrátili k atomu, nebo spíše k mnohem předvídatelnějšímu pohybu atomových částic. Atomy se nikdy neopotřebují ani nezpomalí. Jejich vlastnosti se v průběhu času nemění. Perfektní hodinky. Seznamte se s Cesium-133.
Cesium, stříbřitě zlatý kov, který je při pokojové teplotě kapalný, má těžké, pomalu se pohybující atomy, což znamená, že je lze relativně snadno sledovat. Vědci umístili atomy cesia do vakua a vystavili je mikrovlnné energii v neviditelném elektromagnetickém poli. Úkolem bylo zjistit, jaká vlnová délka nebo frekvence způsobí, že co nejvíce atomů cesia vyzáří balíček světla nebo foton. Fotony byly zachyceny detektorem a spočítány. V důsledku toho byla vlnová délka označena jako přirozená rezonanční frekvence atomu.
Pro zjednodušení si představte kyvadlo. Kyvadlo, které pracuje v rytmu jedinečném pro tento typ atomu. V případě cesia-133 je frekvence 9 192 631 77 cyklů za sekundu. Délka sekundy použitá v experimentu vycházela z délky dne v roce 1957, kdy byly provedeny původní vědecké experimenty. V roce 1967 stanovili metrologové z Úřadu pro váhy a míry rezonanční frekvenci cesia-133 jako oficiální dobu trvání sekundy.
Navzdory této cesiové definici jsou astronomický čas a atomový čas stále nerozlučně spojeny. Za prvé, atomový čas je někdy potřeba opravit, aby odpovídal astronomickému času, protože Země nadále mění své tempo nepravidelným tempem, zatímco atomový čas zůstává konstantní. Když se atomový čas stane téměř o jednu sekundu rychlejším než astronomický, časoměřiči jej na okamžik zastaví, což Zemi umožní dohnat jej – přidají ročně jednu sekundu navíc.
Ačkoliv se tedy délka sekundy nemění, délka minuty se čas od času mění. Po počátečním přidání 10 přestupných sekund v roce 1972 nyní časoměřiči přidávají skokovou sekundu k atomovému času zhruba každý rok a půl.
Také, jakkoli to zní zvláštně, stále počítáme sekundy z éry 1957, dokonce i s našimi moderními atomovými hodinami. Je to proto, že vlastní rezonanční frekvence cesia-133 byla změřena v roce 1957 a svázána s dobou trvání astronomické sekundy v tomto roce, což je skutečnost, která by se nezměnila, ani kdyby byla hodnota sekundy znovu definována.
Ale pokud ano, proč je ta druhá nová definice? Za všechno může další vědecký vynález – optické atomové hodiny. Fungují na stejných principech jako cesiové hodiny, ale měří atomy, které mají mnohem vyšší přirozenou rezonanční frekvenci (podmíněně tikají). Tyto frekvence jsou ve viditelném nebo optickém rozsahu elektromagnetického spektra a ne v mikrovlnném rozsahu, odtud název.
Existuje několik typů optických hodin, z nichž každý počítá „tiknutí“ jednoho atomu nebo iontu – ytterbium, stroncium, rtuť, hliník a další.
Člověk se diví, proč potřebujeme ještě větší přesnost? Částečně proto, že čas není sám o sobě; souvisí s gravitací a hmotou a je jimi ovlivněn. Čas (fanfáry!) také není konstantní, i když lze takový předpoklad učinit s vědomím existence mezinárodního standardu. Teorie relativity Alberta Einsteina například naznačuje, že čas se pohybuje pomaleji, když je blízko masivního tělesa, jako je planeta, protože se zpomaluje vlivem gravitace.
To znamená, že pokud se rychlost optických hodin změní, byť jen nepatrně, mohou se změnit i fyzické podmínky, ve kterých se hodiny nacházejí. Schopnost číst tyto změny nám údajně umožňuje detekovat objekty, jako je temná hmota nebo gravitační vlny, pomocí optických atomových hodin. Hrozné, že? Číst dál.
V roce 2015 američtí fyzici teprve začínali vyvíjet své optické atomové hodiny a byli zmateni tím, že v hodinách, které byly umístěny v laboratořích na různých adresách, se sekundy počítaly trochu jinak. Relativita v praxi? Mohou optické hodiny reagovat na malé změny gravitace? Nařídili měření rozdílu výšky mezi laboratořemi, kde hodiny stály, protože stejně jako čas souvisí výška s gravitací a hmotností. Hodiny byly opravdu v různých výškách. Jejich mírně odlišná měření času zachytila jemné změny v gravitačním poli. Optické hodiny, které byly jen o centimetr vyšší než ostatní, běžely rychleji!
Einsteinova předpověď o tom, co dělá hmota a gravitace v průběhu času, není ve skutečnosti až tak neuvěřitelná. Zbývá se naučit jej používat v praxi.
