واقعاً یک ثانیه چقدر طول می کشد؟

غزل زیارییک روز 24 ساعت و یک ساعت 60 دقیقه دارد. هر دقیقه 60 ثانیه است. بنابراین طبیعتاً یک ثانیه برابر است با (24*60*24)/1 یا 1/86400 روز. درسته؟ اما واضح است که تعریف زمان چندان ساده نیست.

ما قبلاً دوم را به عنوان یک فاصله زمانی ثابت در نظر می گرفتیم. اما این واحد کوچک در طول قرن ها دستخوش تغییرات متعددی شده است.

پیتر وایبرلی، دانشمند ارشد در آزمایشگاه ملی فیزیک بریتانیا، گفت: دومی در ابتدا بر اساس طول روز تعیین شد. مردم عبور خورشید را از بالای سر خود تماشا کردند و با استفاده از ساعت های آفتابی شروع به اندازه گیری حرکت آن کردند.. این ابزارها زمان را مستقیماً بر اساس موقعیت خورشید در آسمان تعیین می کنند که زمان خورشیدی ظاهری نامیده می شود.

مشکل با ساعت آفتابی

با این حال، ساعت های آفتابی دارای معایب متعددی هستند. علاوه بر مشکل اصلی عدم توانایی خواندن ساعت در زمانی که خورشید قابل مشاهده نیست، وابستگی به چرخش روزانه زمین (معروف به زمان نجومی) نیز به طرز شگفت آوری نادرست است.

عاقلانه ادامه داد: چرخش زمین دقیقا ثابت نیست. با گذشت زمان، سرعت چرخش زمین افزایش یا کاهش می یابد. و همچنین تحت تأثیر تغییرات فصلی و سایر تغییرات بزرگ و غیرقابل پیش‌بینی از یک دهه به دهه دیگر، به دلیل تغییرات در هسته مذاب زمین یا کاهش طولانی مدت ناشی از جزر و مد و حرکت رفت و برگشت امواج، قرار می‌گیرد.

بنابراین اگر طول روز تا این حد غیر قابل اعتماد و متغیر است، چگونه می توانیم زمان را به دقت اندازه گیری کنیم؟

ساخت اولین ساعت.

در قرن شانزدهم، مردم برای حل این مشکل به راه حل های تکنولوژیکی روی آوردند و اولین ساعت های مکانیکی قابل تشخیص ساخته شد.

در همین رابطه سامیت سرکار، فیزیکدان دانشگاه آمستردام، گفت: ایده اصلی ساخت ساعت از اندازه گیری زمان با پیروی از موقعیت خورشید خارج شد و در عوض مردم شروع به ساختن یک نوسانگر و تعیین یک نوسان ساز کردند. موقعیت ثابت. “. تعداد نوسانات برابر با یک ثانیه است.”

اولین نمونه‌های ساعت‌های مکانیکی، ساعت‌های آونگی بودند که فرکانس خاصی معادل یک ثانیه نجومی را برای یک سال مشخص می‌کردند. در قرن‌های بعد، دانشمندان برای ساختن نوسانگرهای بهتر و دقیق‌تر کار کردند و بسیاری از سیستم‌های زمان‌بندی دیگر از جمله فنرها و چرخ دنده‌ها را توسعه دادند.

در حدود سال 1940 بود که ساعت های کریستال کوارتز به استاندارد طلا تبدیل شدند. سرکار گفت: «اگر به یک قطعه کوارتز که به دقت شکل گرفته است ولتاژ اعمال کنید، شروع به ارتعاش می‌کند و می‌توانید فرکانس نوسان آن را تنظیم کنید. اگرچه دقت این ساعت برای استفاده عمومی کافی است، اما برای کاربردهای فنی مانند اینترنت، سیستم‌های GPS یا مطالعات تحقیقاتی پایه خوب یا دقیق نخواهد بود.

از آنجایی که هر قطعه کوارتز منحصر به فرد است و بسته به شرایط فیزیکی مانند فشار و دما دارای رزونانس متفاوتی است، مشکلاتی در این زمینه ایجاد شد. برای اینکه ساعت‌ها واقعاً دقیق باشند، باید آنها را با یک مرجع مستقل و تغییرناپذیر مقایسه کرد. به همین دلیل ساعت های اتمی ساخته شدند.

ساعت های اتمی چگونه کار می کنند؟

وایبرلی در این باره گفت: “اتم ها دارای تشدیدهای ثابت و طبیعی هستند. آنها فقط در حالت های انرژی خاصی وجود دارند و تنها با جذب یا انتشار مقدار ثابتی انرژی می توانند از حالتی به حالت دیگر تغییر کنند.” این انرژی با فرکانس دقیق مطابقت دارد، به طوری که می توانید از آن فرکانس به عنوان مرجع برای نگه داشتن زمان استفاده کنید.

بیشتر بخوانید:

در سال 1955 بود که اولین ساعت اتمی عملی ارائه شد. این ساعت تعداد انتقال انرژی ناشی از امواج مایکروویو را در اتم های سزیم در طول یک ثانیه نجومی اندازه گیری کرد. در سال 1967، جامعه علمی جهان موافقت کرد که مفهوم “دوم” را بر اساس این عدد بازتعریف کند. و سیستم بین المللی واحدها و اندازه گیری ها اکنون یک ثانیه را به عنوان مدت زمان 9,192,631,770 نوسان انرژی در اتم سزیم تعریف می کند.

تغییر در تعریف “دوم”

از آن زمان به بعد، ثانیه نجومی همچنان به تغییر خود ادامه می دهد، اما ثانیه اتمی دقیقاً به همان میزان در 9،192،631،770 نوسان باقی می ماند. تغییرات در زمان نجومی در واقع به این معنی است که دانشمندان هر چند سال یک بار باید یک جهش به زمان اضافه کنند تا کند شدن چرخش زمین را با ساعت اتمی هماهنگ کنند.

طبق گفته وایبرلی، این ثانیه کبیسه در سال 2035 لغو خواهد شد. اما دانشمندان و سازمان‌های دولتی هنوز نتوانسته‌اند بفهمند که چگونه این اختلاف کوچک را مدیریت کنند.

اما دانشمندان با این تعریف از ثانیه ای که دقت آن 10 به توان پانزده ثانیه یا یک کوادریلیوم ثانیه است راضی نیستند. تیم‌های تحقیقاتی در سرتاسر جهان روی ساعت‌های اتمی نوری دقیق‌تری کار می‌کنند که از انتقال اتمی ناشی از نور مرئی پرانرژی در عناصری مانند استرانسیوم و ایتربیوم بهره می‌برند و این دقت را بیش از 100 برابر افزایش می‌دهند. در واقع، دانشمندان در حال بحث هستند که آیا زمان آن رسیده است که با استفاده از نوسانات ساعت نورانی و استفاده از منابع نور فرابنفش و مرئی به جای امواج مایکروویو، دوم را دوباره تعریف کنند. اگرچه قبل از انجام هر کاری باید به چندین سوال مهم پاسخ داده شود، اما واضح است که تعریف دقیق ثانیه دائماً در معرض تغییر است.

آبنما: علم زنده

۵۸۵۸