Είτε το πιστεύετε είτε όχι, αντί για ένα κιλό μήλα ή αχλάδια, μπορείτε να ζητήσετε να σας πουλήσουν τη σωστή ποσότητα σε δευτερόλεπτα.
Ο σύγχρονος πολιτισμός θα ήταν αδύνατος χωρίς μετρήσεις και οι μετρήσεις δεν θα είχαν νόημα εάν δεν χρησιμοποιούνταν οι ίδιες μονάδες μέτρησης σε όλο τον κόσμο. Για πολλά χρόνια (σχεδόν 150), οι μετρολόγοι σε όλο τον κόσμο έχουν συμφωνήσει σε αυστηρούς ορισμούς των μονάδων μέτρησης μέσω του Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), που βρίσκεται στη Γαλλία, κοντά στο Παρίσι. Το BIPM διέπει επί του παρόντος επτά βασικές μονάδες που διέπουν το χρόνο, το μήκος, τη μάζα, το ηλεκτρικό ρεύμα, τη θερμοκρασία, την ένταση φωτός και την ποσότητα της ύλης. Μαζί αυτές οι μονάδες δεν είναι παρά η γλώσσα της σύγχρονης επιστήμης, της τεχνολογίας και του εμπορίου.
Αλλά οι επιστήμονες βελτιώνουν συνεχώς αυτά τα γενικά αποδεκτά πρότυπα. Το 2018 εγκρίθηκαν νέοι ορισμοί του κιλού (μάζα), του αμπέρ (ρεύμα), του kelvin (θερμοκρασία) και του mol (ποσότητα ουσίας). Ακούγεται φανταστικό, αλλά τώρα, με εξαίρεση τον τυφλοπόντικα, όλα τα πρότυπα υπόκεινται σε ένα πράγμα - τον χρόνο. Ένα μέτρο, για παράδειγμα, ορίζεται ως η απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε 1/299ο του δευτερολέπτου. Με τον ίδιο τρόπο, τώρα ο ορισμός του κιλού βασίζεται σε ένα δευτερόλεπτο και το να καταλάβεις πώς να το κάνεις αυτό δεν είναι και τόσο δύσκολο.
Αυτό σημαίνει ότι θεωρητικά, αν και δεν θα είναι ξεκάθαρο σε όλους γύρω, μπορείτε να προσδιορίσετε το βάρος ή το μήκος σε δευτερόλεπτα.
Η επιστήμη δεν μένει ακίνητη, τώρα αποφάσισαν να πάρουν ένα δευτερόλεπτο και να της δώσουν έναν νέο ορισμό, ωστόσο, αναγνωρίζοντας ότι ολόκληρη η αρχιτεκτονική των παγκόσμιων μετρήσεων εξαρτάται από αυτήν την τιμή, υπόσχονται να μην αλλάξουν τη διάρκειά της. Ενδιαφέρεστε; Στη συνέχεια, ας βουτήξουμε στην ιστορία του ζητήματος.
Κάποτε οι άνθρωποι καθόριζαν την ώρα κοιτάζοντας τον ουρανό. Αλλά από το 1967, οι μετρολόγοι συμφώνησαν να προσδιορίσουν το χρόνο μετρώντας τις διεργασίες μέσα στο άτομο, μετρώντας, μιλώντας όμορφα, τον αιώνιο καρδιακό παλμό του Σύμπαντος. Όμως ο χρόνος εξακολουθεί να είναι στενά συνδεδεμένος με τις αρχές της αστρονομικής του μέτρησης. Αρχικά, ο χρόνος καθοριζόταν από την πορεία της Γης στην καθημερινή της περιστροφή, από τη μέρα στη νύχτα και πίσω. Σε κάποιο σημείο, οι αρχαίοι Αιγύπτιοι αστρονόμοι, χρησιμοποιώντας ένα δωδεκαδικό σύστημα αρίθμησης (με βάση το 12), χώρισαν τη μέρα και τη νύχτα σε 12 ώρες η καθεμία, με αποτέλεσμα 24 ώρες την ημέρα.
Όμως οι ώρες διέφεραν σε διάρκεια ανάλογα με το πού βρισκόταν η Γη στην τροχιά της γύρω από τον Ήλιο. Πριν από λίγο περισσότερο από 2000 χρόνια, Έλληνες αστρονόμοι που χρειάζονταν σταθερές τιμές για να υπολογίσουν, για παράδειγμα, την κίνηση της σελήνης, κατέληξαν στην επαναστατική ιδέα ότι μια μέρα πρέπει να χωρίζεται σε 24 ώρες ίσης διάρκειας. Η ίδια «αστρονομική» σκέψη τους οδήγησε να εφαρμόσουν την αρχαία Βαβυλωνιακή μέθοδο μέτρησης έως το 60 (σεξουαλική) στα ρολόγια. Όπως χώρισαν τις 360 μοίρες του κύκλου ή της σφαίρας της Γης σε 60 μέρη ή λεπτά, χώρισαν κάθε λεπτό σε 60 δευτερόλεπτα.
Η πρώτη διαίρεση της ημέρας (γνωστή στα λατινικά ως partes minutae primae) τους έδωσε τη διάρκεια ενός λεπτού, που ήταν το 1/1440 της μέσης ηλιακής ημέρας. Η δεύτερη διαίρεση (partes minutae secundae) τους έδωσε τη διάρκεια -και ταυτόχρονα το όνομα- ενός δευτερολέπτου, που ήταν 1/86ο της ημέρας. Στην πραγματικότητα, αυτός ο ορισμός κράτησε μέχρι το 400.
Όμως τα προβλήματα δεν έχουν εξαφανιστεί. Η γη σταδιακά επιβραδύνει την καθημερινή της περιστροφή. οι μέρες μεγαλώνουν λίγο, όπως και το αστρονομικό δεύτερο. Αυτές οι μικρές διαφορές αθροίζονται. Γράφουν ότι, με βάση την παρέκταση των ιστορικών εκλείψεων και άλλων παρατηρήσεων, η Γη ως εργαλείο για τον προσδιορισμό του χρόνου (όπως ένα ρολόι!) Έχει χάσει περισσότερες από τρεις ώρες τα τελευταία 2000 χρόνια - όχι τόσο άσχημο αποτέλεσμα για ένα χρονοόμετρο καρπού, αλλά δεν είναι κατάλληλο για μια επιστημονική προσέγγιση.
Αποδεικνύεται ότι η τυπική μονάδα χρόνου που βασίζεται στον αστρονομικό λογισμό δεν είναι σταθερή και αυτή η πραγματικότητα γινόταν όλο και πιο αφόρητη για τους μετρολόγους τις πρώτες δεκαετίες του περασμένου αιώνα, όταν ανακάλυψαν πόσο άνιση ήταν η περιστροφή της Γης. Και η επιστήμη απαιτεί σταθερότητα και αξιοπιστία. Όπως και ο καιρός, στα τέλη της δεκαετίας του 1960, η κοινωνία εξαρτιόταν όλο και περισσότερο από τις ραδιοσυχνότητες, οι οποίες απαιτούσαν εξαιρετικά ακριβή συγχρονισμό.
Στην εποχή του ατόμου, οι μετρολόγοι στράφηκαν στο άτομο, ή μάλλον, στην πολύ πιο προβλέψιμη κίνηση των ατομικών σωματιδίων. Τα άτομα δεν φθείρονται και δεν επιβραδύνουν ποτέ. Οι ιδιότητές τους δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Τέλειο ρολόι. Γνωρίστε το καίσιο-133.
Το καίσιο, ένα αργυρόχρυσο μέταλλο που είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου, έχει βαριά, αργά κινούμενα άτομα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι σχετικά εύκολο να εντοπιστούν. Οι επιστήμονες τοποθέτησαν άτομα καισίου σε κενό και τα εξέθεσαν σε ενέργεια μικροκυμάτων σε ένα αόρατο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Η πρόκληση ήταν να καταλάβουμε ποιο μήκος κύματος ή συχνότητα θα έκανε όσο το δυνατόν περισσότερα άτομα καισίου να εκπέμψουν ένα πακέτο φωτός ή ένα φωτόνιο. Τα φωτόνια συλλήφθηκαν από έναν ανιχνευτή και μετρήθηκαν. Ως αποτέλεσμα, το μήκος κύματος ορίστηκε ως η φυσική συχνότητα συντονισμού του ατόμου.
Για απλότητα, φανταστείτε ένα εκκρεμές. Ένα εκκρεμές που λειτουργεί με ρυθμό μοναδικό σε αυτόν τον τύπο ατόμου. Στην περίπτωση του καισίου-133, η συχνότητα είναι 9 κύκλοι ανά δευτερόλεπτο. Η διάρκεια του δεύτερου που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα βασίστηκε στη διάρκεια της ημέρας το 192, όταν πραγματοποιήθηκαν τα αρχικά επιστημονικά πειράματα. Μέχρι το 631, οι μετρολόγοι από το Γραφείο Βαρών και Μετρών είχαν καθορίσει τη συχνότητα συντονισμού του καισίου-77 ως την επίσημη διάρκεια του δεύτερου.
Παρά αυτόν τον ορισμό που βασίζεται στο καίσιο, ο αστρονομικός χρόνος και ο ατομικός χρόνος εξακολουθούν να είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι. Πρώτον, ο ατομικός χρόνος χρειάζεται μερικές φορές να διορθωθεί για να ταιριάζει με την αστρονομική ώρα, επειδή η Γη συνεχίζει να αλλάζει το ρυθμό της με ακανόνιστο ρυθμό ενώ ο ατομικός χρόνος παραμένει σταθερός. Όταν ο ατομικός χρόνος γίνεται σχεδόν ένα δευτερόλεπτο ταχύτερος από τον αστρονομικό χρόνο, οι χρονομετρητές τον σταματούν για μια στιγμή, επιτρέποντας στη Γη να προλάβει - προσθέτουν ένα επιπλέον δευτερόλεπτο ανά έτος.
Έτσι, αν και η διάρκεια ενός δευτερολέπτου δεν αλλάζει, η διάρκεια ενός λεπτού αλλάζει από καιρό σε καιρό. Μετά την αρχική προσθήκη 10 δίσεκτων δευτερολέπτων το 1972, οι χρονομετρητές προσθέτουν τώρα ένα άλμα δευτερόλεπτο στον ατομικό χρόνο περίπου κάθε ενάμιση χρόνο.
Επίσης, όσο περίεργο κι αν ακούγεται, εξακολουθούμε να μετράμε τα δευτερόλεπτα της εποχής του 1957, ακόμα και με τα σύγχρονα ατομικά μας ρολόγια. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αυτοσυντονιζόμενη συχνότητα του καισίου-133 μετρήθηκε το 1957 και συνδέθηκε με τη διάρκεια του αστρονομικού δευτερολέπτου εκείνο το έτος, γεγονός που δεν θα άλλαζε ακόμα κι αν η τιμή του δευτερολέπτου επαναπροσδιοριζόταν για άλλη μια φορά.
Αλλά αν ναι, γιατί ο δεύτερος είναι ένας νέος ορισμός; Για όλα φταίει μια άλλη επιστημονική εφεύρεση - ένα οπτικό ατομικό ρολόι. Λειτουργούν με τις ίδιες αρχές με ένα ρολόι καισίου, αλλά μετρούν άτομα που έχουν πολύ υψηλότερη φυσική συχνότητα συντονισμού (υπό όρους, τικ). Αυτές οι συχνότητες βρίσκονται στο ορατό ή οπτικό εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και όχι στο φάσμα των μικροκυμάτων, εξ ου και το όνομα.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι οπτικών ρολογιών, καθένα από τα οποία μετράει τα «τικ» ενός μόνο ατόμου ή ιόντος - υττέρβιο, στρόντιο, υδράργυρο, αλουμίνιο και άλλα.
Γιατί, αναρωτιέται κανείς, χρειαζόμαστε ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια; Εν μέρει επειδή ο χρόνος δεν είναι ο ίδιος. σχετίζεται με τη βαρύτητα και τη μάζα και επηρεάζεται από αυτά. Ο χρόνος (φανφάρα!) επίσης δεν είναι σταθερός, αν και μπορεί κανείς να κάνει μια τέτοια υπόθεση, γνωρίζοντας την ύπαρξη ενός διεθνούς προτύπου. Η θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, για παράδειγμα, προτείνει ότι ο χρόνος κινείται πιο αργά όταν βρίσκεται κοντά σε ένα τεράστιο σώμα, όπως ένας πλανήτης, επειδή επιβραδύνεται λόγω της βαρύτητας.
Αυτό σημαίνει ότι εάν το οπτικό ρολόι αλλάξει, έστω και ελάχιστα, ενδέχεται να αλλάξουν και οι φυσικές συνθήκες στις οποίες βρίσκεται το ρολόι. Η ικανότητα ανάγνωσης αυτών των αλλαγών λέγεται ότι μας επιτρέπει να ανιχνεύουμε αντικείμενα όπως η σκοτεινή ύλη ή τα βαρυτικά κύματα χρησιμοποιώντας οπτικά ατομικά ρολόγια. Φρικτό, σωστά; Συνέχισε να διαβάζεις.
Το 2015, οι Αμερικανοί φυσικοί μόλις άρχιζαν να αναπτύσσουν τα οπτικά ατομικά ρολόγια τους και ήταν προβληματισμένοι από το γεγονός ότι τα δευτερόλεπτα μετρήθηκαν ελαφρώς διαφορετικά σε ρολόγια που βρίσκονταν σε εργαστήρια που βρίσκονταν σε διαφορετικές διευθύνσεις. Η σχετικότητα στην πράξη; Μπορούν τα οπτικά ρολόγια να ανταποκριθούν σε μικρές αλλαγές στη βαρύτητα; Διέταξαν μετρήσεις της διαφοράς ύψους μεταξύ των εργαστηρίων όπου βρισκόταν το ρολόι, επειδή, όπως ο χρόνος, το ύψος σχετίζεται με τη βαρύτητα και τη μάζα. Τα ρολόγια ήταν πραγματικά σε διαφορετικά ύψη. Οι ελαφρώς διαφορετικές χρονικές μετρήσεις τους εντόπισαν ανεπαίσθητες αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο. Το οπτικό ρολόι, που ήταν μόνο ένα εκατοστό ψηλότερο από τα άλλα, έτρεχε πιο γρήγορα!
Η πρόβλεψη του Αϊνστάιν σχετικά με το τι κάνει η μάζα και η βαρύτητα με την πάροδο του χρόνου δεν είναι πραγματικά τόσο απίστευτη. Μένει να μάθουμε πώς να το χρησιμοποιούμε στην πράξη.
