Verte alebo nie, namiesto kilogramu jabĺk alebo hrušiek môžete požiadať o predaj správneho množstva za pár sekúnd.
Moderná civilizácia by bola nemožná bez meraní a merania by nemali zmysel, keby sa rovnaké merné jednotky nepoužívali na celom svete. Už mnoho rokov (takmer 150) sa metrológovia na celom svete dohodli na prísnych definíciách meracích jednotiek prostredníctvom Bureau International des Poids et Merures (BIPM), ktoré sa nachádza vo Francúzsku neďaleko Paríža. BIPM v súčasnosti riadi sedem základných jednotiek, ktoré riadia čas, dĺžku, hmotnosť, elektrický prúd, teplotu, intenzitu svetla a množstvo hmoty. Spoločne tieto jednotky nie sú ničím iným ako jazykom modernej vedy, techniky a obchodu.
Vedci však tieto všeobecne uznávané štandardy neustále zdokonaľujú. V roku 2018 boli schválené nové definície kilogramu (hmotnosti), ampéra (prúdu), kelvina (teplota) a molu (množstvo látky). Znie to fantasticky, no teraz, s výnimkou krtka, sú všetky normy podriadené jedinému – času. Napríklad meter je definovaný ako vzdialenosť, ktorú prekoná svetlo vo vákuu za 1/299 792 458 sekundy. Rovnakým spôsobom je teraz definícia kilogramu založená na sekunde a prísť na to, ako to urobiť, nie je také ťažké.
To znamená, že teoreticky, hoci to nebude každému naokolo jasné, hmotnosť či dĺžku určíte v sekundách.
Veda nestojí na mieste, teraz sa rozhodli urobiť si sekundu a dať jej novú definíciu, ale uvedomujúc si, že celá architektúra globálnych meraní závisí od tejto hodnoty, sľubujú, že jej trvanie nezmenia. Zaujatý? Potom sa poďme ponoriť do histórie problému.
Kedysi ľudia určovali čas pohľadom na oblohu. Ale od roku 1967 sa metrológovia dohodli, že budú určovať čas meraním procesov vo vnútri atómu, počítajúc, krásne povedané, večný tlkot srdca vesmíru. Čas ale stále úzko súvisí s princípmi jeho astronomického merania. Spočiatku bol čas určený dráhou Zeme pri jej dennej rotácii, zo dňa do noci a späť. V určitom okamihu staroegyptskí astronómovia pomocou duodecimálneho systému číslovania (založeného na 12) rozdelili deň a noc na 12 hodín, čo dáva 24 hodín denne.
Ale hodiny sa líšili v trvaní v závislosti od toho, kde bola Zem na svojej obežnej dráhe okolo Slnka. Pred niečo vyše 2000 rokmi prišli grécki astronómovia, ktorí potrebovali pevné hodnoty na výpočet napríklad pohybu Mesiaca, s revolučnou myšlienkou, že jeden deň by sa mal rozdeliť na 24 hodín rovnakej dĺžky. Rovnaké „astronomické“ myslenie ich viedlo k aplikovaniu starobabylonskej metódy počítania do 60 (sexagesimálne) na hodiny. Rovnako ako rozdelili 360 stupňov kruhu alebo gule Zeme na 60 častí alebo minút, každú minútu rozdelili na 60 sekúnd.
Prvé delenie dňa (v latinčine známe ako partes minutae primae) im pridelilo dĺžku minúty, čo bola 1/1440 stredného slnečného dňa. Druhé delenie (partes minutae secundae) im dalo trvanie – a zároveň názov – sekundy, čo bolo 1/86 400 dňa. V skutočnosti táto definícia trvala až do roku 1967.
Problémy však nezmizli. Zem postupne spomaľuje svoju dennú rotáciu; dni sa trochu predlžujú a astronomická sekunda tiež. Tieto malé rozdiely sa sčítavajú. Píšu, že na základe extrapolácie historických zatmení a iných pozorovaní Zem ako nástroj na určovanie času (ako hodiny!) za posledných 2000 rokov stratila viac ako tri hodiny - to nie je taký zlý výsledok pre náramkový chronometer. , ale nie je vhodný pre vedecký prístup.
Ukazuje sa, že štandardná časová jednotka založená na astronomickom počte nie je konštantná a táto realita bola pre metrológov v prvých desaťročiach minulého storočia čoraz neznesiteľnejšia, keď zistili, aká nerovnomerná je rotácia Zeme. A veda vyžaduje stálosť a spoľahlivosť. Podobne ako čas, aj koncom 1960. rokov bola spoločnosť čoraz viac závislá na rádiových frekvenciách, čo si vyžadovalo mimoriadne presnú synchronizáciu.
V dobe atómu sa metrológovia obrátili k atómu, alebo skôr k oveľa predvídateľnejšiemu pohybu atómových častíc. Atómy sa nikdy neopotrebujú ani nespomalia. Ich vlastnosti sa časom nemenia. Perfektné hodinky. Zoznámte sa s Céziom-133.
Cézium, strieborno-zlatý kov, ktorý je pri izbovej teplote tekutý, má ťažké, pomaly sa pohybujúce atómy, čo znamená, že sa dajú relatívne ľahko sledovať. Vedci umiestnili atómy cézia do vákua a vystavili ich mikrovlnnej energii v neviditeľnom elektromagnetickom poli. Úlohou bolo zistiť, aká vlnová dĺžka alebo frekvencia spôsobí, že čo najviac atómov cézia vyžaruje balík svetla alebo fotón. Fotóny boli zachytené detektorom a spočítané. V dôsledku toho bola vlnová dĺžka označená ako prirodzená rezonančná frekvencia atómu.
Pre jednoduchosť si predstavte kyvadlo. Kyvadlo, ktoré pracuje v rytme jedinečnom pre tento typ atómu. V prípade cézia-133 je frekvencia 9 192 631 77 cyklov za sekundu. Dĺžka sekundy použitá v experimente vychádzala z dĺžky dňa v roku 1957, keď sa uskutočnili pôvodné vedecké experimenty. Do roku 1967 metrológovia z Úradu pre váhy a miery stanovili rezonančnú frekvenciu cézia-133 ako oficiálnu dobu trvania sekundy.
Napriek tejto definícii založenej na céziu sú astronomický čas a atómový čas stále neoddeliteľne spojené. Po prvé, atómový čas je niekedy potrebné opraviť tak, aby zodpovedal astronomickému času, pretože Zem naďalej mení svoje tempo nepravidelným tempom, zatiaľ čo atómový čas zostáva konštantný. Keď sa atómový čas stane takmer o jednu sekundu rýchlejším ako astronomický, časomerač ho na chvíľu zastaví, čím umožní Zemi dobehnúť zameškané – pridajú ďalšiu sekundu za rok.
Teda, hoci sa dĺžka sekundy nemení, dĺžka minúty sa z času na čas mení. Po prvotnom pridaní 10 prestupných sekúnd v roku 1972 teraz časomerači pridávajú skokovú sekundu k atómovému času zhruba každý rok a pol.
Aj keď to znie akokoľvek zvláštne, stále počítame sekundy z éry 1957, dokonca aj s našimi modernými atómovými hodinami. Je to preto, že samorezonančná frekvencia cézia-133 bola nameraná v roku 1957 a viazaná na trvanie astronomickej sekundy v tomto roku, čo by sa nezmenilo, ani keby bola hodnota sekundy opäť predefinovaná.
Ale ak áno, prečo je tá druhá nová definícia? Za všetko môže ďalší vedecký vynález – optické atómové hodiny. Fungujú na rovnakých princípoch ako céziové hodiny, ale merajú atómy, ktoré majú oveľa vyššiu prirodzenú rezonančnú frekvenciu (podmienečne, tikajúce). Tieto frekvencie sú vo viditeľnom alebo optickom rozsahu elektromagnetického spektra a nie v mikrovlnnom rozsahu, odtiaľ názov.
Existuje niekoľko typov optických hodín, z ktorých každý počíta „tikot“ jedného atómu alebo iónu – ytterbium, stroncium, ortuť, hliník a iné.
Človek sa pýta, prečo potrebujeme ešte väčšiu presnosť? Čiastočne preto, že čas nie je sám o sebe; súvisí s gravitáciou a hmotnosťou a je nimi ovplyvnená. Čas (fanfáry!) tiež nie je konštantný, aj keď možno takýto predpoklad urobiť, vediac o existencii medzinárodného štandardu. Napríklad teória relativity Alberta Einsteina naznačuje, že čas sa pohybuje pomalšie, keď je blízko masívneho telesa, ako je planéta, pretože sa spomaľuje v dôsledku gravitácie.
To znamená, že ak sa zmení frekvencia optických hodín, hoci len nepatrne, môžu sa zmeniť aj fyzikálne podmienky, v ktorých sa hodiny nachádzajú. Schopnosť čítať tieto zmeny nám údajne umožňuje odhaliť objekty, ako je tmavá hmota alebo gravitačné vlny, pomocou optických atómových hodín. Hrozné, však? Pokračuj v čítaní.
V roku 2015 americkí fyzici práve začínali s vývojom svojich optických atómových hodín a boli zmätení tým, že v hodinách, ktoré sa nachádzali v laboratóriách na rôznych adresách, sa sekundy počítali trochu inak. Relativita v praxi? Môžu optické hodiny reagovať na malé zmeny gravitácie? Nariadili merania výškového rozdielu medzi laboratóriami, kde hodiny stáli, pretože podobne ako čas, aj výška súvisí s gravitáciou a hmotnosťou. Hodiny boli naozaj v rôznych výškach. Ich mierne odlišné časové merania zachytili jemné zmeny v gravitačnom poli. Optické hodiny, ktoré boli len o jeden centimeter vyššie ako ostatné, bežali rýchlejšie!
Einsteinova predpoveď o tom, čo robí hmota a gravitácia v priebehu času, nie je až taká neuveriteľná. Zostáva naučiť sa ho používať v praxi.
