Percaya atau tidak, alih-alih satu kilogram apel atau pir, Anda dapat meminta untuk dijual dalam jumlah yang tepat dalam hitungan detik.
Peradaban modern tidak akan mungkin tanpa pengukuran, dan pengukuran tidak akan berarti jika unit pengukuran yang sama tidak digunakan di seluruh dunia. Selama bertahun-tahun (hampir 150), ahli metrologi di seluruh dunia telah menyetujui definisi satuan pengukuran yang ketat melalui Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), yang terletak di Prancis, dekat Paris. BIPM saat ini mengatur tujuh unit dasar yang mengatur waktu, panjang, massa, arus listrik, suhu, intensitas cahaya, dan jumlah materi. Bersama-sama, unit-unit ini tidak lain adalah bahasa sains, teknologi, dan perdagangan modern.
Tetapi para ilmuwan terus menyempurnakan standar yang diterima secara umum ini. Pada tahun 2018, definisi baru tentang kilogram (massa), ampere (arus), kelvin (suhu) dan mol (jumlah zat) telah disetujui. Kedengarannya fantastis, tetapi sekarang, dengan pengecualian tahi lalat, semua standar tunduk pada satu hal - waktu. Satu meter, misalnya, didefinisikan sebagai jarak yang ditempuh cahaya dalam ruang hampa dalam 1/299 detik. Dengan cara yang sama, sekarang definisi kilogram didasarkan pada satu detik, dan mencari tahu bagaimana melakukannya tidak terlalu sulit.
Ini berarti bahwa secara teoritis, meskipun tidak akan jelas bagi semua orang di sekitar, Anda dapat menentukan berat atau panjangnya dalam hitungan detik.
Sains tidak berhenti, sekarang mereka memutuskan untuk mengambil waktu sejenak dan memberikan definisi baru, namun, mengakui bahwa seluruh arsitektur pengukuran global bergantung pada nilai ini, mereka berjanji untuk tidak mengubah durasinya. Tertarik? Kemudian mari selami sejarah masalah ini.
Suatu ketika orang menentukan waktu dengan melihat ke langit. Tapi sejak 1967, ahli metrologi telah sepakat untuk menentukan waktu dengan mengukur proses di dalam atom, menghitung, berbicara dengan indah, detak jantung abadi Semesta. Namun waktu masih berkaitan erat dengan prinsip-prinsip pengukuran astronomisnya. Awalnya, waktu ditentukan oleh lintasan Bumi dalam rotasi hariannya, dari siang ke malam dan kembali. Pada titik tertentu, para astronom Mesir kuno, menggunakan sistem penomoran duodesimal (berdasarkan 12), membagi siang dan malam menjadi 12 jam masing-masing, memberikan 24 jam dalam sehari.
Tetapi durasi jam berbeda tergantung di mana Bumi berada dalam orbitnya mengelilingi Matahari. Lebih dari 2000 tahun yang lalu, astronom Yunani yang membutuhkan nilai tetap untuk menghitung, misalnya, pergerakan bulan, muncul dengan gagasan revolusioner bahwa satu hari harus dibagi menjadi 24 jam dengan panjang yang sama. Pemikiran "astronomis" yang sama membuat mereka menerapkan metode Babilonia kuno menghitung hingga 60 (seksagesimal) pada jam. Sama seperti mereka membagi 360 derajat lingkaran atau bola Bumi menjadi 60 bagian atau menit, mereka membagi setiap menit menjadi 60 detik.
Pembagian hari pertama (dikenal dalam bahasa Latin sebagai partes minutae primae) memberi mereka panjang satu menit, yaitu 1/1440 hari matahari rata-rata. Pembagian kedua (partes minutae secundae) memberi mereka durasi - dan pada saat yang sama nama - dari satu detik, yaitu 1/86 hari. Sebenarnya definisi ini bertahan sampai tahun 400.
Tapi masalah belum hilang. Bumi secara bertahap memperlambat rotasi hariannya; hari semakin lama, begitu pula detik astronomi. Perbedaan kecil ini bertambah. Mereka menulis bahwa, berdasarkan ekstrapolasi gerhana historis dan pengamatan lainnya, Bumi sebagai alat untuk menentukan waktu (seperti jam!) Telah kehilangan lebih dari tiga jam selama 2000 tahun terakhir - bukan hasil yang buruk untuk kronometer pergelangan tangan , tetapi tidak cocok untuk pendekatan ilmiah.
Ternyata satuan waktu standar berdasarkan kalkulus astronomi tidak konstan, dan kenyataan ini menjadi semakin tak tertahankan bagi ahli metrologi dalam dekade pertama abad terakhir, ketika mereka menemukan betapa tidak meratanya rotasi Bumi. Dan sains membutuhkan keteguhan dan keandalan. Seperti waktu, pada akhir 1960-an, masyarakat semakin bergantung pada frekuensi radio, yang membutuhkan sinkronisasi yang sangat tepat.
Di zaman atom, ahli metrologi beralih ke atom, atau lebih tepatnya, ke pergerakan partikel atom yang jauh lebih dapat diprediksi. Atom tidak pernah aus atau melambat. Properti mereka tidak berubah seiring waktu. Jam tangan yang sempurna. Temui Cesium-133.
Cesium, logam emas keperakan yang cair pada suhu kamar, memiliki atom berat yang bergerak lambat, yang berarti mereka relatif mudah dilacak. Para ilmuwan menempatkan atom cesium dalam ruang hampa dan memaparkannya pada energi gelombang mikro dalam medan elektromagnetik yang tidak terlihat. Tantangannya adalah untuk mencari tahu berapa panjang gelombang atau frekuensi yang akan menyebabkan atom cesium sebanyak mungkin memancarkan paket cahaya, atau foton. Foton ditangkap oleh detektor dan dihitung. Akibatnya, panjang gelombang ditetapkan sebagai frekuensi resonansi alami atom.
Untuk kesederhanaan, bayangkan pendulum. Sebuah bandul yang bekerja dalam ritme yang unik untuk jenis atom ini. Dalam kasus cesium-133, frekuensinya adalah 9 siklus per detik. Panjang detik yang digunakan dalam percobaan didasarkan pada panjang hari pada tahun 192, ketika percobaan ilmiah asli dilakukan. Pada tahun 631, ahli metrologi dari Biro Berat dan Ukuran telah menetapkan frekuensi resonansi sesium-77 sebagai durasi resmi detik.
Terlepas dari definisi berbasis cesium ini, waktu astronomi dan waktu atom masih terkait erat. Pertama, waktu atom terkadang perlu dikoreksi agar sesuai dengan waktu astronomi karena Bumi terus mengubah kecepatannya dengan kecepatan yang tidak teratur sementara waktu atom tetap konstan. Ketika waktu atom menjadi hampir satu detik lebih cepat daripada waktu astronomi, pencatat waktu menghentikannya sejenak, memungkinkan Bumi untuk mengejar—mereka menambahkan satu detik ekstra per tahun.
Jadi, meskipun panjang satu detik tidak berubah, panjang satu menit memang berubah dari waktu ke waktu. Setelah awalnya menambahkan 10 detik kabisat pada tahun 1972, pencatat waktu sekarang menambahkan satu detik kabisat ke waktu atom kira-kira setiap setengah tahun.
Juga, seaneh kedengarannya, kita masih menghitung detik-detik era 1957, bahkan dengan jam atom modern kita. Ini karena frekuensi resonansi diri cesium-133 diukur pada tahun 1957 dan dikaitkan dengan durasi detik astronomi pada tahun itu, fakta yang tidak akan berubah bahkan jika nilai detik didefinisikan ulang sekali lagi.
Tetapi jika demikian, mengapa yang kedua merupakan definisi baru? Ini semua kesalahan penemuan ilmiah lain - jam atom optik. Mereka bekerja dengan prinsip yang sama seperti jam sesium, tetapi mereka mengukur atom yang memiliki frekuensi resonansi alami yang jauh lebih tinggi (bersyarat, berdetak). Frekuensi-frekuensi ini berada dalam rentang spektrum elektromagnetik yang terlihat atau optik dan bukan dalam rentang gelombang mikro, oleh karena itu dinamakan demikian.
Ada beberapa jenis jam optik, yang masing-masing menghitung "kutu" dari satu atom atau ion - iterbium, strontium, merkuri, aluminium, dan lainnya.
Mengapa, kita bertanya-tanya, apakah kita membutuhkan lebih banyak akurasi? Sebagian karena waktu bukanlah dirinya sendiri; itu terkait dengan gravitasi dan massa dan dipengaruhi oleh mereka. Waktu (kemeriahan!) juga tidak konstan, meskipun seseorang dapat membuat asumsi seperti itu, mengetahui adanya standar internasional. Teori relativitas Albert Einstein, misalnya, menunjukkan bahwa waktu bergerak lebih lambat ketika berada di dekat benda besar, seperti planet, karena ia melambat karena gravitasi.
Ini berarti bahwa jika kecepatan jam optik berubah, meskipun hanya sedikit, kondisi fisik tempat jam itu berada juga dapat berubah. Kemampuan membaca perubahan ini dikatakan memungkinkan kita mendeteksi objek seperti materi gelap atau gelombang gravitasi menggunakan jam atom optik. Mengerikan, bukan? Baca terus.
Pada tahun 2015, fisikawan Amerika baru saja mulai mengembangkan jam atom optik mereka, dan mereka dibuat bingung oleh fakta bahwa detik dihitung sedikit berbeda pada jam yang terletak di laboratorium yang berlokasi di alamat yang berbeda. Relativitas beraksi? Bisakah jam optik merespons perubahan kecil dalam gravitasi? Mereka memerintahkan pengukuran perbedaan ketinggian antara laboratorium tempat jam berdiri, karena, seperti waktu, ketinggian berhubungan dengan gravitasi dan massa. Jam-jam itu memang berada di ketinggian yang berbeda. Pengukuran waktu mereka yang sedikit berbeda mengambil perubahan halus dalam medan gravitasi. Jam optik, yang hanya satu sentimeter lebih tinggi dari yang lain, berlari lebih cepat!
Prediksi Einstein tentang apa yang dilakukan massa dan gravitasi dari waktu ke waktu tidak terlalu luar biasa. Masih belajar bagaimana menggunakannya dalam praktik.
