Usko tai älä, kilogramman omenoiden tai päärynöiden sijaan voit pyytää myytäväksi oikean määrän sekunneissa.
Moderni sivilisaatio olisi mahdoton ilman mittauksia, ja mittaukset olisivat merkityksettömiä, jos samoja mittayksiköitä ei käytettäisi kaikkialla maailmassa. Metrologit ympäri maailmaa ovat useiden vuosien ajan (lähes 150) sopineet mittayksiköiden tiukoista määritelmistä Ranskassa lähellä Pariisia sijaitsevan Bureau International des Poids et Mesuresin (BIPM) kautta. BIPM hallitsee tällä hetkellä seitsemää perusyksikköä, jotka säätelevät aikaa, pituutta, massaa, sähkövirtaa, lämpötilaa, valon voimakkuutta ja aineen määrää. Yhdessä nämä yksiköt ovat vain modernin tieteen, teknologian ja kaupan kieltä.
Mutta tiedemiehet jalostavat jatkuvasti näitä yleisesti hyväksyttyjä standardeja. Vuonna 2018 hyväksyttiin uudet määritelmät kilolle (massa), ampeerille (virta), kelvinille (lämpötila) ja moolille (ainemäärä). Se kuulostaa fantastiselta, mutta nyt, moolia lukuun ottamatta, kaikki standardit ovat yhden asian alaisia - aikaa. Esimerkiksi metri määritellään matkaksi, jonka valo kulkee tyhjiössä 1/299 792 458 sekunnissa. Samalla tavalla nyt kilogramman määritelmä perustuu sekuntiin, ja sen selvittäminen ei ole kovin vaikeaa.
Tämä tarkoittaa, että teoriassa, vaikka se ei ole selvää kaikille ympärillä oleville, voit määrittää painon tai pituuden sekunneissa.
Tiede ei seiso paikallaan, nyt he päättivät ottaa hetken ja antaa sille uuden määritelmän, mutta tunnustaen, että koko globaalien mittausten arkkitehtuuri riippuu tästä arvosta, he lupaavat olla muuttamatta sen kestoa. Kiinnostaako? Sukellaan sitten ongelman historiaan.
Kerran ihmiset määrittelivät ajan katsomalla taivaalle. Mutta vuodesta 1967 lähtien metrologit ovat sopineet määrittävänsä ajan mittaamalla atomin sisällä tapahtuvia prosesseja ja laskemalla kauniisti sanoen universumin ikuisen sydämenlyönnin. Mutta aika liittyy edelleen läheisesti sen tähtitieteellisen mittauksen periaatteisiin. Aluksi ajan määritti Maan polku sen päivittäisessä kiertoliikkeessä, päivästä yöhön ja takaisin. Jossain vaiheessa muinaiset egyptiläiset tähtitieteilijät jakoivat kaksidesimaalista numerointijärjestelmää (perustuu 12:een) päivän ja yön kumpikin 12 tuntiin, mikä antoi 24 tuntia vuorokaudessa.
Mutta tunnit vaihtelivat kestoltaan riippuen siitä, missä maapallo oli kiertoradalla Auringon ympäri. Hieman yli 2000 vuotta sitten kreikkalaiset tähtitieteilijät, jotka tarvitsivat kiinteitä arvoja esimerkiksi kuun liikkeen laskemiseen, keksivät vallankumouksellisen ajatuksen, että yksi päivä pitäisi jakaa 24 tunniksi yhtä pitkäksi. Sama "astronominen" ajattelu johti heidät soveltamaan kelloihin muinaista babylonialaista menetelmää laskea 60:een (seksagesimaali). Aivan kuten he jakoivat Maan ympyrän tai pallon 360 astetta 60 osaan tai minuuttiin, he jakoivat jokaisen minuutin 60 sekuntiin.
Päivän ensimmäinen jako (tunnetaan latinaksi partes minutae primae) antoi heille minuutin pituuden, joka oli 1/1440 keskimääräisestä aurinkopäivästä. Toinen divisioona (partes minutae secundae) antoi heille sekunnin keston - ja samalla nimen -, joka oli 1/86 400 vuorokaudesta. Itse asiassa tämä määritelmä kesti vuoteen 1967 asti.
Mutta ongelmat eivät ole kadonneet. Maa hidastaa vähitellen päivittäistä kiertoaan; päivät pidentyvät, ja niin on tähtitieteellinen toinenkin. Nämä pienet erot laskevat yhteen. He kirjoittavat, että historiallisten pimennysten ja muiden havaintojen ekstrapoloinnin perusteella maapallo ajan määritystyökaluna (kuten kello!) on menettänyt yli kolme tuntia viimeisen 2000 vuoden aikana - ei niin huono tulos rannekronometrille. , mutta ei sovellu tieteelliseen lähestymistapaan.
Osoittautuu, että tähtitieteelliseen laskentaan perustuva standardiaikayksikkö ei ole vakio, ja tämä todellisuus muuttui metrologeille yhä sietämättömämmäksi viime vuosisadan ensimmäisinä vuosikymmeninä, kun he havaitsivat, kuinka epätasainen Maan pyöriminen oli. Ja tiede vaatii pysyvyyttä ja luotettavuutta. Kuten aikakin, yhteiskunta oli 1960-luvun lopulla yhä enemmän riippuvainen radiotaajuuksista, mikä vaati erittäin tarkkaa synkronointia.
Atomin aikakaudella metrologit kääntyivät atomiin tai pikemminkin atomihiukkasten paljon ennakoitavampaan liikkeeseen. Atomit eivät koskaan kulu tai hidastu. Niiden ominaisuudet eivät muutu ajan myötä. Täydellinen kello. Tapaa Cesium-133.
Cesium, hopea-kultainen metalli, joka on nestemäinen huoneenlämpötilassa, sisältää raskaita, hitaasti liikkuvia atomeja, mikä tarkoittaa, että niitä on suhteellisen helppo jäljittää. Tiedemiehet asettivat cesiumatomit tyhjiöön ja altistivat ne mikroaaltoenergialle näkymättömässä sähkömagneettisessa kentässä. Haasteena oli selvittää, mikä aallonpituus tai taajuus saisi mahdollisimman monta cesiumatomia lähettämään valopaketin tai fotonin. Fotonit vangittiin detektorilla ja laskettiin. Tämän seurauksena aallonpituus nimettiin atomin luonnolliseksi resonanssitaajuudeksi.
Yksinkertaisuuden vuoksi kuvittele heiluri. Heiluri, joka toimii tämäntyyppisille atomeille ainutlaatuisessa rytmissä. Cesium-133:n tapauksessa taajuus on 9 192 631 77 sykliä sekunnissa. Kokeessa käytetyn sekunnin pituus perustui vuoden 1957 päivän pituuteen, jolloin alkuperäiset tieteelliset kokeet suoritettiin. Vuoteen 1967 mennessä paino- ja mittaviraston metrologit olivat vahvistaneet cesium-133:n resonanssitaajuuden toisen viralliseksi kestoksi.
Tästä cesiumiin perustuvasta määritelmästä huolimatta tähtitieteellinen aika ja atomiaika liittyvät edelleen erottamattomasti toisiinsa. Ensinnäkin atomiaikaa on joskus korjattava vastaamaan tähtitieteellistä aikaa, koska maapallo jatkaa vauhtiaan epäsäännöllisen nopeuden vaihtamista, kun taas atomiaika pysyy vakiona. Kun atomiajasta tulee lähes sekunti nopeampi kuin tähtitieteellinen aika, ajanottajat pysäyttävät sen hetkeksi, jolloin maapallo pääsee kiinni – ne lisäävät ylimääräisen sekunnin vuodessa.
Näin ollen, vaikka sekunnin pituus ei muutu, minuutin pituus muuttuu aika ajoin. Lisättyään alun perin 10 karkaussekuntia vuonna 1972, ajanottajat lisäävät nyt karkaussekunnin atomiaikaan suunnilleen puolentoista vuoden välein.
Lisäksi, niin oudolta kuin se kuulostaakin, laskemme edelleen vuoden 1957 aikakauden sekunnit, jopa nykyaikaisilla atomikelloillamme. Tämä johtuu siitä, että cesium-133:n omaresonanssitaajuus mitattiin vuonna 1957 ja se sidottiin astronomisen sekunnin kestoon tuona vuonna, mikä ei muuttuisi, vaikka sekuntia määritettäisiin vielä kerran uudelleen.
Mutta jos on, miksi toinen määritelmä on uusi? Se kaikki on toisen tieteellisen keksinnön - optisen atomikellon - vika. Ne toimivat samoilla periaatteilla kuin cesiumkello, mutta ne mittaavat atomeja, joilla on paljon korkeampi luonnollinen resonanssitaajuus (ehdollisesti tikittävä). Nämä taajuudet ovat sähkömagneettisen spektrin näkyvällä tai optisella alueella eivätkä mikroaaltoalueella, tästä syystä nimi.
Optisia kelloja on useita tyyppejä, joista jokainen laskee yhden atomin tai ionin "ticks" - ytterbium, strontium, elohopea, alumiini ja muut.
Miksi ihmeessä tarvitaan vielä enemmän tarkkuutta? Osittain siksi, että aika ei ole oma itsensä; se liittyy painovoimaan ja massaan ja vaikuttaa niihin. Aika (fanfaari!) ei myöskään ole vakio, vaikka sellaisen oletuksen voi tehdä, kun tietää kansainvälisen standardin olemassaolon. Esimerkiksi Albert Einsteinin suhteellisuusteoria ehdottaa, että aika liikkuu hitaammin, kun se on lähellä massiivista kappaletta, kuten planeetta, koska se hidastuu painovoiman vaikutuksesta.
Tämä tarkoittaa, että jos optisen kellon nopeus muuttuu, vaikka vain vähän, myös kellon fyysiset olosuhteet voivat muuttua. Kyky lukea näitä muutoksia sanotaan auttavan meitä havaitsemaan kohteita, kuten pimeää ainetta tai gravitaatioaaltoja käyttämällä optisia atomikelloja. Kamalaa, eikö? Jatka lukemista.
Vuonna 2015 amerikkalaiset fyysikot olivat vasta alkamassa kehittää optisia atomikellojaan, ja heitä hämmästytti se, että sekuntia laskettiin hieman eri tavalla kelloissa, jotka sijaitsivat eri osoitteissa sijaitsevissa laboratorioissa. Suhteellisuus toiminnassa? Voivatko optiset kellot reagoida pieniin painovoiman muutoksiin? He tilasivat mittaukset korkeuseroista niiden laboratorioiden välillä, joissa kello seisoi, koska kuten aika, myös korkeus on suhteessa painovoimaan ja massaan. Kellot olivat todella eri korkeuksilla. Heidän hieman erilaiset aikamittauksensa havaitsivat hienoisia muutoksia gravitaatiokentässä. Optinen kello, joka oli vain sentin muita korkeampi, juoksi nopeammin!
Einsteinin ennustus siitä, mitä massa ja painovoima tekevät ajan mittaan, ei todellakaan ole niin uskomaton. On vielä opeteltava käyttämään sitä käytännössä.
