Tici vai nē, bet kilograma ābolu vai bumbieru vietā vari lūgt, lai tev pārdod pareizo daudzumu sekundēs.
Mūsdienu civilizācija nebūtu iespējama bez mērījumiem, un mērījumiem nebūtu jēgas, ja visā pasaulē neizmantotu vienas un tās pašas mērvienības. Daudzus gadus (gandrīz 150) metrologi visā pasaulē ir vienojušies par stingrām mērvienību definīcijām, izmantojot Starptautisko mērvienību biroju (BIPM), kas atrodas Francijā, netālu no Parīzes. BIPM pašlaik regulē septiņas pamatvienības, kas regulē laiku, garumu, masu, elektrisko strāvu, temperatūru, gaismas intensitāti un vielas daudzumu. Kopā šīs vienības nav nekas cits kā mūsdienu zinātnes, tehnoloģiju un tirdzniecības valoda.
Taču zinātnieki pastāvīgi pilnveido šos vispārpieņemtos standartus. 2018. gadā tika apstiprinātas jaunas kilograma (masas), ampēra (strāva), kelvina (temperatūra) un mola (vielas daudzuma) definīcijas. Izklausās fantastiski, bet tagad, izņemot kurmi, uz visiem standartiem attiecas viens – laiks. Piemēram, metrs tiek definēts kā attālums, ko gaisma veic vakuumā 1/299 792 458 sekundē. Tādā pašā veidā tagad kilograma definīcija ir balstīta uz sekundi, un izdomāt, kā to izdarīt, nav tik grūti.
Tas nozīmē, ka teorētiski, lai gan tas nebūs skaidrs visiem apkārtējiem, svaru vai garumu var noteikt sekundēs.
Zinātne nestāv uz vietas, tagad viņi nolēma paņemt sekundi un dot tai jaunu definīciju, tomēr, atzīstot, ka no šīs vērtības ir atkarīga visa globālo mērījumu arhitektūra, sola tās ilgumu nemainīt. Ieinteresēja? Pēc tam iedziļināsimies problēmas vēsturē.
Reiz cilvēki noteica laiku, skatoties debesīs. Taču kopš 1967. gada metrologi ir vienojušies noteikt laiku, mērot procesus atoma iekšienē, skaitot, skaisti sakot, Visuma mūžīgos sirdspukstus. Bet laiks joprojām ir cieši saistīts ar tā astronomiskās mērīšanas principiem. Sākotnēji laiku noteica Zemes ceļš tās ikdienas rotācijā no dienas uz nakti un atpakaļ. Kādā brīdī senie ēģiptiešu astronomi, izmantojot divpadsmitpirkstu numerācijas sistēmu (pamatojoties uz 12), dienu un nakti sadalīja 12 stundās, dodot 24 stundas dienā.
Bet stundu ilgums atšķīrās atkarībā no tā, kur Zeme atradās savā orbītā ap Sauli. Pirms nedaudz vairāk kā 2000 gadiem grieķu astronomi, kuriem bija vajadzīgas fiksētas vērtības, lai aprēķinātu, piemēram, mēness kustību, nāca klajā ar revolucionāru ideju, ka viena diena jāsadala vienāda garuma 24 stundās. Tā pati "astronomiskā" domāšana lika viņiem pielietot seno babiloniešu metodi, skaitot līdz 60 (seksagesimāls) pulksteņiem. Tāpat kā viņi sadalīja Zemes apļa vai sfēras 360 grādus 60 daļās vai minūtēs, viņi sadalīja katru minūti 60 sekundēs.
Dienas pirmais dalījums (latīņu valodā pazīstams kā partes minutae primae) deva tiem minūtes garumu, kas bija 1/1440 no vidējās saules dienas. Otrais sadalījums (partes minutae secundae) deva viņiem sekundes ilgumu un vienlaikus nosaukumu, kas bija 1/86 400. Faktiski šī definīcija ilga līdz 1967. gadam.
Taču problēmas nav pazudušas. Zeme pamazām palēnina savu ikdienas rotāciju; dienas kļūst nedaudz garākas, un arī astronomiskā otrā. Šīs mazās atšķirības summējas. Viņi raksta, ka, balstoties uz vēsturisko aptumsumu ekstrapolāciju un citiem novērojumiem, Zeme kā laika noteikšanas rīks (kā pulkstenis!) pēdējo 2000 gadu laikā ir zaudējusi vairāk nekā trīs stundas – nav nemaz tik slikts rezultāts plaukstas hronometram. , bet nav piemērots zinātniskai pieejai.
Izrādās, ka standarta laika vienība, kas balstīta uz astronomiskajiem aprēķiniem, nav nemainīga, un šī realitāte metrologiem kļuva arvien nepanesamāka pagājušā gadsimta pirmajās desmitgadēs, kad viņi atklāja, cik nevienmērīga ir Zemes rotācija. Un zinātne prasa pastāvību un uzticamību. Tāpat kā laiks, 1960. gadu beigās sabiedrība bija arvien vairāk atkarīga no radiofrekvencēm, kas prasīja ārkārtīgi precīzu sinhronizāciju.
Atomu laikmetā metrologi pievērsās atomam, pareizāk sakot, daudz prognozējamākai atoma daļiņu kustībai. Atomi nekad nenolietojas un nepalēninās. To īpašības laika gaitā nemainās. Ideāls pulkstenis. Iepazīstieties ar Cēziju-133.
Cēzijam, sudrabaini zeltainam metālam, kas ir šķidrs istabas temperatūrā, ir smagi, lēni kustīgi atomi, kas nozīmē, ka tos ir salīdzinoši viegli izsekot. Zinātnieki ievietoja cēzija atomus vakuumā un pakļāva tos mikroviļņu enerģijai neredzamā elektromagnētiskā laukā. Izaicinājums bija izdomāt, kāds viļņa garums vai frekvence liktu pēc iespējas vairāk cēzija atomu izstarot gaismas paketi vai fotonu. Fotonus uztvēra ar detektoru un saskaitīja. Rezultātā viļņa garums tika noteikts kā atoma dabiskā rezonanses frekvence.
Vienkāršības labad iedomājieties svārstu. Svārsts, kas darbojas ritmā, kas ir unikāls šim atoma tipam. Cēzija-133 gadījumā frekvence ir 9 192 631 77 cikli sekundē. Eksperimentā izmantotās sekundes garums tika noteikts, ņemot vērā dienas garumu 1957. gadā, kad tika veikti sākotnējie zinātniskie eksperimenti. Līdz 1967. gadam Svaru un mēru biroja metrologi bija noteikuši cēzija-133 rezonanses frekvenci kā otrā oficiālo ilgumu.
Neskatoties uz šo uz cēziju balstīto definīciju, astronomiskais laiks un atomu laiks joprojām ir nesaraujami saistīti. Pirmkārt, atomu laiks dažreiz ir jākoriģē, lai tas atbilstu astronomiskajam laikam, jo Zeme turpina mainīt savu tempu neregulāri, bet atomu laiks paliek nemainīgs. Kad atomu laiks kļūst gandrīz par vienu sekundi ātrāks par astronomisko laiku, hronometri to uz brīdi aptur, ļaujot Zemei panākt — viņi pievieno papildu sekundi gadā.
Tādējādi, lai gan sekundes garums nemainās, minūtes garums ik pa laikam mainās. Sākotnēji pievienojot 10 lēciena sekundes 1972. gadā, hronometri tagad aptuveni ik pēc pusotra gada atomu laikam pievieno vienu lēciena sekundi.
Turklāt, lai cik dīvaini tas neizklausītos, mēs joprojām skaitam 1957. gada ēras sekundes, pat ar mūsu modernajiem atompulksteņiem. Tas ir tāpēc, ka cēzija-133 pašrezonanses frekvence tika izmērīta 1957. gadā un saistīta ar astronomiskās sekundes ilgumu šajā gadā, un tas nemainītos pat tad, ja sekundes vērtība tiktu vēlreiz definēta no jauna.
Bet, ja tā, kāpēc otrā definīcija ir jauna? Pie visa vainojams cits zinātnisks izgudrojums – optiskais atompulkstenis. Tie darbojas pēc tādiem pašiem principiem kā cēzija pulkstenis, taču tie mēra atomus, kuriem ir daudz augstāka dabiskās rezonanses frekvence (nosacīti atzīmējot). Šīs frekvences atrodas elektromagnētiskā spektra redzamajā vai optiskajā diapazonā, nevis mikroviļņu diapazonā, tāpēc arī nosaukums.
Ir vairāki optisko pulksteņu veidi, no kuriem katrs skaita viena atoma vai jona "ērces" - iterbija, stroncija, dzīvsudraba, alumīnija un citus.
Kāpēc, rodas jautājums, vai mums ir vajadzīga vēl lielāka precizitāte? Daļēji tāpēc, ka laiks nav pats par sevi; tas ir saistīts ar gravitāciju un masu un to ietekmē. Arī laiks (fanfaras!) nav nemainīgs, lai gan tādu pieņēmumu var izdarīt, zinot starptautiska standarta esamību. Piemēram, Alberta Einšteina relativitātes teorija liek domāt, ka laiks kustas lēnāk, atrodoties masīva ķermeņa, piemēram, planētas, tuvumā, jo tas palēninās gravitācijas ietekmē.
Tas nozīmē, ka, ja optiskā pulksteņa ātrums mainās, pat ja tikai nedaudz, var mainīties arī fiziskie apstākļi, kādos pulkstenis atrodas. Tiek uzskatīts, ka spēja nolasīt šīs izmaiņas ļauj mums atklāt objektus, piemēram, tumšo vielu vai gravitācijas viļņus, izmantojot optiskos atompulksteņus. Briesmīgi, vai ne? Turpini lasīt.
2015. gadā amerikāņu fiziķi tikai sāka izstrādāt savus optiskos atompulksteņus, un viņus mulsināja fakts, ka pulksteņos, kas atradās dažādās adresēs izvietotajās laboratorijās, sekundes tika skaitītas nedaudz atšķirīgi. Relativitāte darbībā? Vai optiskie pulksteņi var reaģēt uz nelielām gravitācijas izmaiņām? Viņi lika izmērīt augstuma starpību starp laboratorijām, kur stāvēja pulkstenis, jo, tāpat kā laiks, arī augstums ir saistīts ar gravitāciju un masu. Pulksteņi tiešām bija dažādos augstumos. Viņu nedaudz atšķirīgie laika mērījumi paņēma smalkas izmaiņas gravitācijas laukā. Optiskais pulkstenis, kas bija tikai vienu centimetru garāks par pārējiem, skrēja ātrāk!
Einšteina prognozes par to, ko masa un gravitācija laika gaitā dara, patiesībā nav tik neticami. Atliek iemācīties to izmantot praksē.
