Akár hiszi, akár nem, egy kilogramm alma vagy körte helyett másodpercek alatt kérheti a megfelelő mennyiség eladását.
A modern civilizáció lehetetlen lenne mérések nélkül, és a mérések értelmetlenek lennének, ha nem ugyanazokat a mértékegységeket használnák az egész világon. Sok éven keresztül (közel 150) a metrológusok világszerte megállapodtak a mértékegységek szigorú meghatározásában a Franciaországban, Párizs mellett található Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) révén. A BIPM jelenleg hét alapegységet szabályoz, amelyek szabályozzák az időt, a hosszt, a tömeget, az elektromos áramot, a hőmérsékletet, a fényintenzitást és az anyag mennyiségét. Ezek az egységek együtt nem más, mint a modern tudomány, technológia és kereskedelem nyelve.
A tudósok azonban folyamatosan finomítják ezeket az általánosan elfogadott szabványokat. 2018-ban jóváhagyták a kilogramm (tömeg), az amper (áram), a kelvin (hőmérséklet) és a mol (anyagmennyiség) új definícióit. Fantasztikusan hangzik, de most, a vakond kivételével, minden szabvány egy dologra vonatkozik - az időre. A méter például az a távolság, amelyet a fény vákuumban a másodperc 1/299 792 458-ad része alatt tesz meg. Ugyanígy, most a kilogramm meghatározása egy másodpercen alapul, és ennek kitalálása nem olyan nehéz.
Ez azt jelenti, hogy elméletileg, bár ez nem lesz mindenki számára egyértelmű, másodpercek alatt meghatározhatja a súlyt vagy a hosszt.
A tudomány nem áll meg, most úgy döntöttek, vesznek egy pillanatot, és új definíciót adnak neki, azonban felismerve, hogy a globális mérések teljes architektúrája ettől az értéktől függ, ígérik, hogy nem változtatják meg az időtartamát. Érdekelt? Akkor merüljünk el a probléma történetében.
Egyszer az emberek az égre nézve határozták meg az időt. De 1967 óta a metrológusok megállapodtak abban, hogy az időt az atomon belüli folyamatok mérésével határozzák meg, és szép szóval számolják az Univerzum örök szívverését. De az idő még mindig szorosan összefügg csillagászati mérésének elveivel. Kezdetben az időt a Föld napi forgásának útja határozta meg, nappalról éjszakára és vissza. Az ókori egyiptomi csillagászok egy (12-n alapuló) duodecimális számozási rendszert használva 12 órára osztották a nappalt és az éjszakát, így egy nap 24 órát adtak.
De az órák időtartama eltérő volt attól függően, hogy a Föld hol keringett a Nap körül. Valamivel több mint 2000 évvel ezelőtt a görög csillagászok, akiknek fix értékekre volt szükségük például a Hold mozgásának kiszámításához, azzal a forradalmi ötlettel álltak elő, hogy egy napot 24 egyenlő hosszúságú órára kell felosztani. Ugyanez a "csillagászati" gondolkodás vezette őket az ősi babilóniai 60-ig (szexagezimális) számlálási módszer alkalmazásához az órákon. Ahogy a Föld körének vagy gömbjének 360 fokát 60 részre vagy percre osztották, úgy minden percet 60 másodpercre osztottak.
A nap első felosztása (latinul partes minutae primae néven ismert) egy perc hosszát adta nekik, ami az átlagos szoláris nap 1/1440-e. A másodosztály (partes minutae secundae) megadta nekik a másodperc időtartamát - és egyben a nevét -, ami a nap 1/86 400-a volt. Valójában ez a meghatározás 1967-ig tartott.
De a problémák nem szűntek meg. A föld fokozatosan lelassítja napi forgását; a nappalok kicsit hosszabbak, és a csillagászati második is. Ezek a kis különbségek összeadódnak. Azt írják, hogy a történelmi fogyatkozások és egyéb megfigyelések extrapolációja alapján a Föld mint időmeghatározó eszköz (mint az óra!) több mint három órát veszített az elmúlt 2000 évben – ez nem is olyan rossz eredmény egy csuklós kronométernél. , de nem alkalmas tudományos megközelítésre.
Kiderült, hogy a csillagászati számításokon alapuló standard időegység nem állandó, és ez a valóság egyre elviselhetetlenebbé vált a metrológusok számára a múlt század első évtizedeiben, amikor felfedezték, hogy a Föld forgása milyen egyenetlen. A tudomány pedig állandóságot és megbízhatóságot követel. Az időkhöz hasonlóan az 1960-as évek végére a társadalom egyre inkább a rádiófrekvenciáktól függött, ami rendkívül precíz szinkronizálást igényelt.
Az atom korában a metrológusok az atom, vagy inkább az atomrészecskék sokkal kiszámíthatóbb mozgása felé fordultak. Az atomok soha nem kopnak vagy lassulnak. Tulajdonságaik nem változnak az idő múlásával. Tökéletes óra. Ismerje meg a Cesium-133-at.
A cézium, egy ezüstös-arany fém, amely szobahőmérsékleten folyékony, nehéz, lassan mozgó atomokat tartalmaz, ami azt jelenti, hogy viszonylag könnyen nyomon követhetők. A tudósok a cézium atomokat vákuumba helyezték, és láthatatlan elektromágneses mezőben mikrohullámú energiának tették ki őket. A kihívás az volt, hogy kitaláljuk, milyen hullámhossz vagy frekvencia hatására a lehető legtöbb céziumatom bocsát ki egy fénycsomagot vagy egy fotont. A fotonokat detektorral rögzítettük és megszámoltuk. Ennek eredményeként a hullámhosszt az atom természetes rezonanciafrekvenciájaként jelölték meg.
Az egyszerűség kedvéért képzeljünk el egy ingát. Egy inga, amely az ilyen típusú atomokra jellemző ritmusban működik. A cézium-133 esetében a frekvencia 9 192 631 77 ciklus másodpercenként. A kísérletben használt másodperc hossza az 1957-es nap hosszán alapult, amikor az eredeti tudományos kísérleteket végezték. 1967-re a Súly- és Mértékiroda metrológusai a cézium-133 rezonanciafrekvenciáját határozták meg a második hivatalos időtartamaként.
A céziumalapú meghatározás ellenére a csillagászati idő és az atomi idő még mindig elválaszthatatlanul összefügg. Először is, az atomi időt néha korrigálni kell, hogy megfeleljen a csillagászati időnek, mivel a Föld továbbra is szabálytalan ütemben változtatja ütemét, miközben az atomi idő állandó marad. Amikor az atomi idő csaknem egy másodperccel gyorsabb lesz, mint a csillagászati idő, az időmérők egy pillanatra leállítják, így a Föld utoléri – évente egy másodpercet adnak hozzá.
Így bár a másodperc hossza nem változik, a perc hossza azonban időről időre változik. Miután 10-ben kezdetben 1972 szökőmásodpercet adtak hozzá, az időmérők ma nagyjából másfél évente egy szökőmásodpercet adnak hozzá az atomidőhöz.
Továbbá, bármilyen furcsán is hangzik, még mindig az 1957-es korszak másodperceit számoljuk, még modern atomóráinkkal is. A cézium-133 önrezonancia-frekvenciáját ugyanis 1957-ben mérték, és abban az évben a csillagászati másodperc időtartamához kötötték, amely tény akkor sem változna, ha a másodperc értékét még egyszer újradefiniálnák.
De ha igen, miért új definíció a második? Mindez egy másik tudományos találmány – egy optikai atomóra – hibája. Ugyanolyan elven működnek, mint a céziumóra, de sokkal magasabb természetes rezonanciafrekvenciájú (feltételesen ketyegő) atomokat mérnek. Ezek a frekvenciák az elektromágneses spektrum látható vagy optikai tartományában vannak, és nem a mikrohullámú tartományban, innen ered a név.
Számos típusú optikai óra létezik, amelyek mindegyike egyetlen atom vagy ion "kulcsait" számolja - itterbium, stroncium, higany, alumínium és mások.
Vajon miért van szükségünk még nagyobb pontosságra? Részben azért, mert az idő nem önmaga; a gravitációhoz és a tömeghez kapcsolódik, és ezek befolyásolják. Az idő (rajongás!) szintén nem állandó, bár lehet ilyet feltételezni, ismerve a nemzetközi szabvány létezését. Albert Einstein relativitáselmélete például azt sugallja, hogy az idő lassabban mozog, ha egy hatalmas test közelében van, mint egy bolygó, mert lelassul a gravitáció miatt.
Ez azt jelenti, hogy ha az optikai óra, még ha csak kismértékben is, megváltozik, az óra fizikai körülményei is megváltozhatnak. Az a képesség, hogy ezeket a változásokat leolvassuk, lehetővé teszi számunkra, hogy optikai atomórák segítségével észleljünk olyan tárgyakat, mint a sötét anyag vagy a gravitációs hullámok. Szörnyű, igaz? Olvass tovább.
2015-ben amerikai fizikusok még csak elkezdték fejleszteni optikai atomóráikat, és meglepte őket a tény, hogy a másodperceket némileg eltérően számolják a különböző címeken található laboratóriumokban található órákban. Relativitás a cselekvésben? Az optikai órák képesek reagálni a gravitáció kis változásaira? Elrendelték a magasságkülönbség mérését azon laboratóriumok között, ahol az óra állt, mivel az időhöz hasonlóan a magasság is a gravitációhoz és a tömeghez kapcsolódik. Az órák valóban különböző magasságban voltak. Kissé eltérő időméréseik finom változásokat észleltek a gravitációs mezőben. Az optikai óra, amely mindössze egy centivel volt magasabb a többinél, gyorsabban futott!
Einstein előrejelzése arról, hogy a tömeg és a gravitáció mit tesz az idő múlásával, nem igazán hihetetlen. Még meg kell tanulni a gyakorlatban való használatát.
