Որքա՞ն եք կշռում վայրկյանների ընթացքում:

Ժամանակակից քաղաքակրթությունն անհնար կլիներ առանց չափումների, իսկ չափումները՝ անիմաստ, եթե ամբողջ աշխարհում չօգտագործվեին նույն չափման միավորները։ Երկար տարիներ (մոտ 150) ամբողջ աշխարհում չափագետները համաձայնության են եկել չափման միավորների խիստ սահմանումների վերաբերյալ Բյուրոյի միջազգային բյուրոյի (BIPM) միջոցով, որը գտնվում է Ֆրանսիայում, Փարիզի մոտ: BIPM-ը ներկայումս ղեկավարում է յոթ հիմնական միավորներ, որոնք կարգավորում են ժամանակը, երկարությունը, զանգվածը, էլեկտրական հոսանքը, ջերմաստիճանը, լույսի ինտենսիվությունը և նյութի քանակը: Այս միավորները միասին ոչ այլ ինչ են, քան ժամանակակից գիտության, տեխնիկայի և առևտրի լեզուն:

Սակայն գիտնականները մշտապես ճշգրտում են այս ընդհանուր ընդունված չափանիշները: 2018 թվականին հաստատվել են կիլոգրամի (զանգվածի), ամպերի (հոսանքի), կելվինի (ջերմաստիճանի) և մոլի (նյութի քանակի) նոր սահմանումները։ Ֆանտաստիկ է հնչում, բայց հիմա, բացառությամբ խլուրդի, բոլոր չափանիշները ենթակա են մեկ բանի՝ ժամանակի։ Հաշվիչը, օրինակ, սահմանվում է որպես լույսի անցած հեռավորությունը վակուումում վայրկյանի 1/299-րդում: Նույն կերպ, այժմ կիլոգրամի սահմանումը հիմնված է վայրկյանի վրա, և պարզել, թե ինչպես դա անել, այնքան էլ դժվար չէ:

Սա նշանակում է, որ տեսականորեն, թեև շրջապատում բոլորի համար պարզ չի լինի, դուք կարող եք վայրկյանների ընթացքում որոշել քաշը կամ երկարությունը։

Գիտությունը կանգ չի առնում, հիմա նրանք որոշեցին մի վայրկյան վերցնել և նոր սահմանում տալ դրան, սակայն, գիտակցելով, որ գլոբալ չափումների ամբողջ ճարտարապետությունը կախված է այս արժեքից, նրանք խոստանում են չփոխել դրա տևողությունը: Հետաքրքրվե՞լ է: Ապա եկեք սուզվենք խնդրի պատմության մեջ։

Մի անգամ մարդիկ ժամանակը որոշել են՝ նայելով երկնքին։ Սակայն 1967 թվականից ի վեր, չափագետները համաձայնել են որոշել ժամանակը` չափելով ատոմի ներսում տեղի ունեցող գործընթացները, հաշվելով, գեղեցիկ ասած, Տիեզերքի հավերժական սրտի բաբախյունը: Բայց ժամանակը դեռ սերտորեն կապված է իր աստղագիտական ​​չափման սկզբունքների հետ։ Սկզբում ժամանակը որոշվում էր Երկրի ուղով իր ամենօրյա պտույտով՝ օրից գիշեր և հետ։ Ինչ-որ պահի, հին եգիպտացի աստղագետները, օգտագործելով տասներկումատնյա համարակալման համակարգը (հիմնված 12-ի վրա), ցերեկը և գիշերը բաժանեցին 12-ական ժամի՝ տալով 24 ժամ:

Բայց ժամերը տարբերվում էին տեւողությամբ՝ կախված նրանից, թե որտեղ է Երկիրը գտնվում Արեգակի շուրջ իր ուղեծրում: Ավելի քան 2000 տարի առաջ հույն աստղագետները, որոնց անհրաժեշտ էին ֆիքսված արժեքներ, օրինակ, լուսնի շարժումը հաշվարկելու համար, հեղափոխական գաղափար առաջացրեցին, որ մեկ օրը պետք է բաժանվի 24 ժամերի՝ հավասար երկարությամբ: Նույն «աստղագիտական» մտածողությունը նրանց ստիպեց կիրառել ժամացույցների վրա մինչև 60 (սեռական) հաշվելու հին բաբելոնյան մեթոդը։ Ինչպես նրանք Երկրի շրջանի կամ ոլորտի 360 աստիճանը բաժանեցին 60 մասի կամ րոպեի, այնպես էլ յուրաքանչյուր րոպեն բաժանեցին 60 վայրկյանի:

Օրվա առաջին բաժանումը (լատիներեն հայտնի որպես partes minutae primae) նրանց տվեց մեկ րոպեի երկարություն, որը միջին արեգակնային օրվա 1/1440-րդն էր։ Երկրորդ բաժանումը (partes minutae secundae) նրանց տվեց վայրկյանի տևողությունը և միևնույն ժամանակ անվանումը, որը կազմում էր օրվա 1/86-րդ մասը։ Փաստորեն, այս սահմանումը տեւեց մինչեւ 400 թ.

Բայց խնդիրները չեն վերացել։ Երկիրն աստիճանաբար դանդաղեցնում է իր ամենօրյա պտույտը. օրերը մի փոքր երկարում են, աստղագիտական ​​երկրորդը՝ նույնպես: Այս փոքր տարբերությունները գումարվում են: Նրանք գրում են, որ պատմական խավարումների և այլ դիտարկումների էքստրապոլյացիայի հիման վրա Երկիրը որպես ժամանակի որոշման գործիք (ինչպես ժամացույցը) վերջին 2000 տարվա ընթացքում կորցրել է ավելի քան երեք ժամ, ինչը այնքան էլ վատ արդյունք չէ դաստակի քրոնոմետրի համար։ , բայց ոչ պիտանի գիտական ​​մոտեցման համար։

Պարզվում է, որ աստղագիտական ​​հաշվարկի վրա հիմնված ժամանակի ստանդարտ միավորը հաստատուն չէ, և այս իրողությունը չափագետների համար գնալով ավելի անտանելի դարձավ անցյալ դարի առաջին տասնամյակներում, երբ նրանք հայտնաբերեցին, թե որքան անհավասար է Երկրի պտույտը: Իսկ գիտությունը պահանջում է կայունություն և հուսալիություն: Ժամանակի պես, 1960-ականների վերջերին հասարակությունն ավելի ու ավելի էր կախված ռադիոհաճախականություններից, ինչը պահանջում էր չափազանց ճշգրիտ համաժամացում:

Ատոմի դարաշրջանում չափագետները դիմեցին ատոմին, ավելի ճիշտ՝ ատոմային մասնիկների շատ ավելի կանխատեսելի շարժմանը։ Ատոմները երբեք չեն մաշվում կամ դանդաղում: Նրանց հատկությունները ժամանակի ընթացքում չեն փոխվում: Կատարյալ ժամացույց: Հանդիպեք Ցեզիում-133-ին:

Ցեզիումը` արծաթափայլ ոսկի մետաղ, որը հեղուկ է սենյակային ջերմաստիճանում, ունի ծանր, դանդաղ շարժվող ատոմներ, ինչը նշանակում է, որ դրանք համեմատաբար հեշտ է հետևել: Գիտնականները ցեզիումի ատոմները տեղադրեցին վակուումում և անտեսանելի էլեկտրամագնիսական դաշտում դրանք ենթարկեցին միկրոալիքային էներգիայի: Խնդիրը կայանում էր նրանում, որ պարզել, թե ինչ ալիքի երկարություն կամ հաճախականություն կարող է հանգեցնել հնարավորինս շատ ցեզիումի ատոմների լույսի փաթեթի կամ ֆոտոն արձակելու: Ֆոտոնները որսացել են դետեկտորով և հաշվվել: Արդյունքում ալիքի երկարությունը նշանակվեց որպես ատոմի բնական ռեզոնանսային հաճախականություն։

Պարզության համար պատկերացրեք ճոճանակ: Ճոճանակ, որն աշխատում է այս տեսակի ատոմներին հատուկ ռիթմով: Ցեզիում-133-ի դեպքում հաճախականությունը կազմում է 9 ցիկլ վայրկյանում։ Փորձի մեջ օգտագործված երկրորդի երկարությունը հիմնված էր 192 թվականի օրվա երկարության վրա, երբ իրականացվեցին բնօրինակ գիտական ​​փորձերը: Մինչև 631 թվականը Կշիռների և չափումների բյուրոյի չափագետները սահմանել էին ցեզիում-77-ի ռեզոնանսային հաճախականությունը որպես երկրորդի պաշտոնական տևողությունը:

Չնայած ցեզիումի վրա հիմնված այս սահմանմանը, աստղագիտական ​​ժամանակը և ատոմային ժամանակը դեռ անքակտելիորեն կապված են: Նախ, ատոմային ժամանակը երբեմն անհրաժեշտ է ուղղել աստղագիտական ​​ժամանակին համապատասխանելու համար, քանի որ Երկիրը շարունակում է անկանոն արագությամբ փոխել իր արագությունը, մինչդեռ ատոմային ժամանակը մնում է անփոփոխ: Երբ ատոմային ժամանակը դառնում է գրեթե մեկ վայրկյանով ավելի արագ, քան աստղագիտական ​​ժամանակը, ժամանակաչափերը մի պահ կանգնեցնում են այն՝ թույլ տալով Երկիր մոլորակին հասնել նրան. նրանք տարեկան ավելացնում են լրացուցիչ վայրկյան:

Այսպիսով, չնայած վայրկյանի տեւողությունը չի փոխվում, րոպեի տեւողությունը ժամանակ առ ժամանակ փոխվում է։ 10 թվականին սկզբնապես 1972 նահանջ վայրկյան ավելացնելուց հետո, ժամանակաչափերն այժմ ատոմային ժամանակին ավելացնում են մեկ նահանջ վայրկյան մոտավորապես ամեն տարի ու կես տարին մեկ:

Նաև, որքան էլ տարօրինակ է հնչում, մենք դեռևս հաշվում ենք 1957 թվականի դարաշրջանի վայրկյանները, նույնիսկ մեր ժամանակակից ատոմային ժամացույցներով: Դա պայմանավորված է նրանով, որ ցեզիում-133-ի ինքնառեզոնանսային հաճախականությունը չափվել է 1957 թվականին և կապված է այդ տարվա աստղագիտական ​​վայրկյանի տևողության հետ, մի փաստ, որը չի փոխվի նույնիսկ եթե երկրորդի արժեքը ևս մեկ անգամ վերասահմանվի:

Բայց եթե այո, ինչու՞ է երկրորդը նոր սահմանում: Այդ ամենը մեկ այլ գիտական ​​գյուտի մեղքն է՝ օպտիկական ատոմային ժամացույցը: Նրանք աշխատում են նույն սկզբունքներով, ինչ ցեզիումի ժամացույցը, բայց չափում են ատոմները, որոնք ունեն շատ ավելի բարձր բնական ռեզոնանսային հաճախականություն (պայմանականորեն, տկտկոց): Այս հաճախականությունները գտնվում են էլեկտրամագնիսական սպեկտրի տեսանելի կամ օպտիկական տիրույթում և ոչ թե միկրոալիքային տիրույթում, այստեղից էլ անվանումը:

Կան օպտիկական ժամացույցների մի քանի տեսակներ, որոնցից յուրաքանչյուրը հաշվում է մեկ ատոմի կամ իոնի «տիզերը»՝ իտերբիում, ստրոնցիում, սնդիկ, ալյումին և այլն։

Ինչո՞ւ, զարմանում ենք, մեզ ավելի շատ ճշգրտություն է պետք: Մասամբ այն պատճառով, որ ժամանակը ինքնին չէ. այն կապված է գրավիտացիայի և զանգվածի հետ և կրում է դրանց ազդեցությունը: Ժամանակը (ֆանֆա՜ր) նույնպես հաստատուն չէ, թեև կարելի է նման ենթադրություն անել՝ իմանալով միջազգային ստանդարտի առկայությունը։ Ալբերտ Էյնշտեյնի հարաբերականության տեսությունը, օրինակ, ենթադրում է, որ ժամանակն ավելի դանդաղ է շարժվում, երբ այն գտնվում է զանգվածային մարմնի մոտ, ինչպես մոլորակը, քանի որ այն դանդաղում է ձգողականության պատճառով:

Սա նշանակում է, որ եթե օպտիկական ժամացույցի արագությունը փոխվի, թեկուզ փոքր-ինչ, ֆիզիկական պայմանները, որոնցում գտնվում է ժամացույցը, նույնպես կարող են փոխվել: Ասվում է, որ այս փոփոխությունները կարդալու ունակությունը մեզ հնարավորություն է տալիս հայտնաբերել այնպիսի առարկաներ, ինչպիսիք են մութ նյութը կամ գրավիտացիոն ալիքները՝ օգտագործելով օպտիկական ատոմային ժամացույցներ: Սարսափելի, չէ՞: Շարունակեք կարդալ:

2015 թվականին ամերիկացի ֆիզիկոսները նոր էին սկսում զարգացնել իրենց օպտիկական ատոմային ժամացույցները, և նրանց տարակուսում էր այն փաստը, որ վայրկյանները մի փոքր այլ կերպ են հաշվվում տարբեր հասցեներում գտնվող լաբորատորիաներում տեղակայված ժամացույցներում: Հարաբերականությունը գործողությա՞մբ: Կարո՞ղ են օպտիկական ժամացույցները արձագանքել գրավիտացիայի փոքր փոփոխություններին: Նրանք պատվիրեցին չափել բարձրության տարբերությունը լաբորատորիաների միջև, որտեղ կանգնած էր ժամացույցը, քանի որ, ինչպես ժամանակը, բարձրությունը կապված է ձգողության և զանգվածի հետ: Ժամացույցներն իսկապես տարբեր բարձրության վրա էին։ Նրանց մի փոքր տարբեր ժամանակային չափումները նկատել են գրավիտացիոն դաշտի նուրբ փոփոխությունները: Օպտիկական ժամացույցը, որն ընդամենը մեկ սանտիմետրով բարձր էր մյուսներից, ավելի արագ էր աշխատում։

Էյնշտեյնի կանխատեսումն այն մասին, թե ինչ են անում զանգվածը և ձգողականությունը ժամանակի ընթացքում, իրականում այնքան էլ անհավանական չէ: Մնում է սովորել, թե ինչպես օգտագործել այն գործնականում: