الموجات الضوئية والثانية الإضافية: كيف يتغير معيار قياس الوقت

فالثانية، كغيرها من الكميات، مجرد مفهوم نسبي مبني على اتفاق حولها

ما يجب اعتباره على هذا النحو.على مر القرون، ومع تقدم دقة القياس وتطور التكنولوجيا، استخدمت البشرية أساليب مختلفة لقياس الوقت وتحديد ما يشكل ثانية واحدة.

في عام 1875 ، 17 دولة رائدة في ذلك الوقت ، من بينالتي كانت ، بما في ذلك ، النمسا-المجر ، والإمبراطوريتان الروسية والعثمانية ، وفرنسا ، وألمانيا ، والولايات المتحدة ، والبرازيل ، وقعت على اتفاقية متري - وهي معاهدة دولية تضمن وحدة معايير القياس في البلدان المختلفة. لتطوير مبادئ موحدة وإجراء قياسات مرجعية ، أنشأت الدول المكتب الدولي للأوزان والمقاييس.

في المؤتمر السابع والعشرين للأوزان والمقاييساتفق ممثلو مختلف البلدان على أن التعريف الحديث للثاني يتوقف عن تلبية الدقة المطلوبة للقياسات ويتطلب المراجعة. تنص خارطة الطريق على أنه في الاجتماع القادم في غضون أربع سنوات ، سيتعين على البلدان اختيار نظام مرجعي جديد وأكثر دقة وتغيير صياغة الثاني.

أول قياسات ثانية

لعدة قرون ، كان الناس يقيسون الوقت بـدوران الأرض. من قدماء المصريين إلى علماء الفلك اليونانيين والبابليين ، غيرت البشرية تدريجيًا دقة القياسات ، الأمر الذي تطلب وحدات زمنية جديدة ، ومع تطور التكنولوجيا وتوحيدها وتزامنها.

الساعات الميكانيكية الأولى التي ظهرت فيالقرن الرابع عشر ، لم تكن هناك دقائق حتى. تم تقسيم الموانئ إلى نصفين ، وأثلاث ، وأرباع ، وأحيانًا إلى 12 جزءًا من الساعة ، ولكن لم يتم تقسيمها مطلقًا إلى 60. ظهرت الساعات الميكانيكية الأولى التي تعرض الدقائق في نهاية القرن السادس عشر. في الوقت نفسه ، على عكس الساعات الشمسية ، التي أظهرت وقتًا واضحًا ، تحولت الساعات الميكانيكية إلى متوسط ​​الوقت.

والحقيقة هي أن الحركة المدارية للأرض حولهاتؤدي الشمس إلى طول غير متساوٍ للنهار. يستخدم التوقيت الشمسي الظاهري الوقت بين الوقتين اللذين يكون فيهما نجمنا في أوجها كتعريف لليوم. وفي هذه الحالة يتم تحديد الأجزاء الكسرية (الساعات والدقائق) بناءً على حركة الشمس. 

في الواقع ، عند القياس على أساسأنظمة بديلة ، على سبيل المثال ، عدد حركات البندول في ساعة ميكانيكية ، اتضح أن مدة هذه الأيام مختلفة. يختلف طول اليوم الشمسي على مدار العام ، ويؤدي التأثير التراكمي إلى انحرافات موسمية تصل إلى 16 دقيقة من المتوسط.

ظهرت الساعات الأولى التي تظهر الثواني فيالنصف الثاني من القرن السادس عشر. أقدم ساعة ربيعية معروفة مع عقرب ثانٍ: يعود تاريخها إلى حوالي 1560-1570. وفي الوقت نفسه، لم تكن جميع نظائرها الأولى دقيقة بما فيه الكفاية.

في عام 1656، اكتشف العالم الهولندي كريستيان هويجنزاخترع أول ساعة البندول. كان لديه بندول يبلغ طوله أقل من متر بقليل، مما يمنحه تأرجحًا مدته ثانية واحدة، وآلية إطلاق تصدر صوتًا في كل ثانية. ويُعتقد أن هذه كانت الساعة الأولى التي يمكنها إظهار الوقت بدقة بالثواني.

ساعة جيب Henlein ، أوائل القرن السادس عشر. الصورة: متحف Germanisches الوطني

من جزء من اليوم إلى الدوران المداري للأرض والقياسات الذرية

بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، كانت دقة قياس الثوانيوصلت إلى هذه المستويات التي شكلت أساس النظام المتري الدولي لمحطة الفضاء الدولية ، والذي حدده المؤتمر العام للأوزان والمقاييس في عام 1889. تمت الموافقة على العداد كوحدة أساسية للطول ، والكيلوجرام للوزن ، والثاني للوقت. تم تعريف الأخير على أنه 1/86400 من متوسط ​​اليوم الشمسي.

منذ دوران الأرض حول الشمسأكثر استقرارًا من دوران الكوكب حول محوره، تم تغيير هذا التعريف لاحقًا والتعبير عنه بكسر من السنة: 1 ⁄ 31,556,925,9747 من السنة. وفي الوقت نفسه، ومن أجل تقليل عدم اليقين بشكل أكبر، تم استخدام مقياس زمني للتقويم الفلكي، تم حسابه على أساس موقع مدارات الكواكب والنجوم في عام 1900.

في عام 1967 ، بعد عقود من البحث ،تخلى العلماء عن طريقة دوران الأرض وأعادوا تعريف الوقت ، وبدلاً من ذلك قاموا بقياس حركات الجسيمات داخل الذرة. على وجه الخصوص ، يستخدم التعريف الحالي رنين التردد الطبيعي للسيزيوم -133 لحساب. من تلك اللحظة فصاعدًا ، يتم تحديد الثانية بواسطة قيمة عددية ثابتة لتكرار اهتزازات ذرة السيزيوم.

كيف يعمل الوقت الذري؟

تتألف المقاييس الزمنية الذرية المبكرة منساعات كوارتز ذات ترددات تمت معايرتها باستخدام الساعات الذرية وحدها. وهي تعتمد على نظام من الذرات التي يمكن أن تكون في إحدى حالتي الطاقة المحتملتين.

تخضع مجموعة من الذرات في حالة واحدةإشعاع الميكروويف. إذا كان للإشعاع التردد الصحيح، فسوف ينتقل عدد من الذرات إلى حالة طاقة مختلفة. كلما اقترب التردد من تردد الاهتزاز الطبيعي للذرات، زاد عدد الذرات التي ستغير حالاتها.

هذا يسمح بضبط التردد بدقة.إشعاع الميكروويف. بمجرد ضبط إشعاع الميكروويف على تردد معروف ، يمكن استخدامه كمولد توقيت لقياس الوقت المنقضي.

التوقيت الذري الدولي هومتوسط ​​مرجح زمنيًا لأكثر من 450 ساعة ذرية في أكثر من 80 مختبرًا وطنيًا حول العالم. يتيح لنا هذا النهج تجنب التشوهات المرتبطة بتمدد الزمن بفعل الجاذبية.

تتم مقارنة الساعات في المؤسسات المختلفة بانتظاممع بعضها البعض باستخدام اتصالات الأقمار الصناعية ونظام تحديد المواقع العالمي. يجمع المكتب الدولي des Poids et Mesures (BIPM ، فرنسا) بين هذه القياسات لحساب متوسط ​​مرجح بأثر رجعي يشكل المقياس الزمني الأكثر استقرارًا.

أول ساعة ذرية في العالم. الصورة: مختبر الفيزياء الوطني ، المجال العام ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

ماذا يريدون تغيير؟

مزيد من التطوير للتكنولوجيا يسمح بالمزيدزيادة تحسين دقة القياس. على سبيل المثال ، كبديل لساعة السيزيوم الكلاسيكية ، يقترح الفيزيائيون استخدام ساعة بصرية. تستخدم هذه الساعات "التكتكة" ذات التردد العالي لعناصر مثل السترونتيوم والإيتربيوم ، مما يسمح لها بتقسيم الوقت إلى أجزاء أصغر.

الصعوبة حتى الآن تكمن في حقيقة أن المسؤوللا يمكن توليد الوقت باستخدام الساعات وحدها. يجب على علماء المقاييس أن يقيسوا متوسط ​​قراءات مئات الساعات حول العالم. بالنسبة لساعات السيزيوم ، يمكن إرسال الوقت باستخدام إشارات الميكروويف ، ولكن هذا الإشعاع منخفض جدًا بحيث لا يمكنه نقل دقات الساعة الضوئية.

على العكس من ذلك، يتم نقل الإشارات عبر الهواء إلىالأطوال الموجية الضوئية ليست بسيطة مثل إرسال موجات الميكروويف لأن الجزيئات الموجودة في الهواء تمتص الضوء بسهولة، مما يقلل بشكل كبير من قوة الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للاضطراب توجيه شعاع الليزر بعيدًا عن الهدف.

ومع ذلك ، فإن التغييرات في هذا الاتجاهالتقدم ، على سبيل المثال ، قدم العلماء الصينيون مؤخرًا نتائج عملهم على تزامن الساعات الضوئية على مسافة 117 كم. هذا هو سبعة أضعاف الرقم القياسي السابق. سيساعد التطوير الإضافي في هذا الاتجاه على تحسين دقة تحديد الثانية بمقدار 100 مرة أو أكثر.

بقرار من مؤتمر الأوزان والمقاييسويتم تشجيع المشاركين على مواصلة تطوير طرق بديلة لقياس ومزامنة الوقت. وبناءً عليها، سيتم صياغة مقترحات لمعيار جديد وفترة انتقالية بحلول الاجتماع القادم في عام 2026.

الساعة الذرية الضوئية الإيتربيوم. الصورة: نيست

الثانية الكبيسة

إذا كان هذا لا يزال مسألة المعيار الجديدالقليل من عدم اليقين ، ثم يتم قبول تغيير آخر من شأنه أن يؤثر على المعايير المؤقتة. بالفعل في عام 2035 ، يجب أن يتخلى العالم عن الثواني الكبيسة.

النقطة المهمة هي أنه في الانتقال إلى القياس الدقيقالوقت بناءً على الساعات الذرية ، وجد العلماء أن متوسط ​​اليوم لا يساوي 86400 ثانية قياسية. الفرق هو بضعة أجزاء من الألف من الثانية ، ولكنه يتراكم بمرور الوقت.

وكان الحل ثواني كبيسة:تم تطبيق تصحيحات ثانية واحدة في أواخر ديسمبر أو يونيو على أساس مخصص. تم التخطيط للتغييرات للتأكد من أن نظام ضبط الوقت الذي نستخدمه، التوقيت العالمي المنسق (UTC)، لا يختلف أبدًا بأكثر من 0.9 ثانية عن التوقيت الذري.

لأن هذه التغييرات كانت لمرة واحدةالشخصية ، خلقت ثواني "قفزة" صعوبات كبيرة للبرمجيات والطاقة وأنظمة الأقمار الصناعية. أولاً ، من الصعب التنبؤ بالضبط عند الحاجة إلى الثانية الكبيسة التالية ، لذلك لا يمكن لمطوري البرامج الاستعداد لعمليات الإدراج المنتظمة والمنتظمة. لذلك ، طورت العديد من الشبكات أساليبها غير المتسقة لتضمين الثانية الكبيسة.

علاوة على ذلك ، الحوسبة العالمية الحديثةأصبحت الأنظمة أكثر ترابطًا وأكثر اعتمادًا على توقيت فائق الدقة ، يصل أحيانًا إلى أجزاء من المليار من الثانية. تؤدي إضافة ثانية إضافية إلى زيادة مخاطر فشل أو فشل الأنظمة المسؤولة عن شبكات الاتصالات ونقل الطاقة والمعاملات المالية وغيرها من الأعمال الحيوية.

لتجنب هذه المشكلة ، اعتمد العلماءقرار التخلص التدريجي من هذه الإدخالات اعتبارًا من عام 2035. منذ عام 1972 ، على مدار الخمسين عامًا الماضية ، كان الفرق بين التوقيت العالمي المنسق (UTC) والوقت الذري الدولي 37 ثانية فقط ، مع إضافة 10 ثوانٍ على الفور وإدخال 27 ثانية أخرى لاحقًا. يقترح العلماء إصلاح الفارق الذي سيتراكم بحلول عام 2035 وعدم تغييره لمدة 100 عام قادمة على الأقل.

قراءة المزيد:

عاصفة مغناطيسية على وشك أن تضرب الأرض

تم الكشف عن المعنى الحقيقي للتحنيط: طوال هذا الوقت ، كان العلماء على خطأ

أطلق على الخطر الرئيسي للبعثة القمرية "أرتميس"