Kuten muutkin suureet, toinen on vain suhteellinen käsite, joka perustuu sopimukseen siitä
Vuonna 1875 joukossa 17 tuon ajan johtavaa maatajotka olivat muun muassa Itävalta-Unkari, Venäjän ja Ottomaanien valtakunnat, Ranska, Saksa, Yhdysvallat ja Brasilia, allekirjoittivat metrisopimuksen - kansainvälisen sopimuksen, joka varmistaa mittausstandardien yhtenäisyyden eri maissa. Yhtenäisten periaatteiden kehittämiseksi ja vertailumittausten suorittamiseksi valtiot perustivat kansainvälisen paino- ja mittatoimiston.
27. paino- ja mittakonferenssissaEri maiden edustajat olivat yhtä mieltä siitä, että toisen nykyaikainen määritelmä ei enää täytä vaadittua mittaustarkkuutta ja vaatii tarkistamista. Tiekartan mukaan maiden on neljän vuoden kuluttua seuraavassa kokouksessa valittava uusi, tarkempi viitejärjestelmä ja muutettava toisen sanamuotoa.
Ensimmäiset mittaukset sekunnin
Vuosisatojen ajan ihmiset ovat mitanneet aikaamaan pyöriminen. Muinaisista egyptiläisistä kreikkalaisiin tähtitieteilijöihin ja babylonialaisiin ihmiskunta muutti vähitellen mittausten tarkkuutta, mikä vaati uusia aikayksiköitä ja tekniikan kehittyessä niiden yhdistämistä ja synkronointia.
Ensimmäiset mekaaniset kellot ilmestyivät vuonnaXIV vuosisadalla ei ollut edes minuuttia. Kellot jaettiin puoliksi, kolmanneksiin, neljänneksiin ja joskus jopa 12 tunnin osaan, mutta ei koskaan 60:een. Ensimmäiset minuutteja näyttävät mekaaniset kellot ilmestyivät 1500-luvun lopulla. Samaan aikaan, toisin kuin aurinkokellot, jotka näyttivät näennäistä aikaa, mekaaniset kellot siirtyivät keskimääräiseen aikaan.
Tosiasia on, että maapallon kiertoradallaAurinko johtaa epätasaiseen päivän pituuteen. Näennäinen aurinkoaika käyttää vuorokauden määritelmänä aikaa, joka on kahden ajan välillä, jolloin tähtemme on zeniitissään. Tässä tapauksessa murto-osat (tunnit ja minuutit) määritetään Auringon liikkeen perusteella.
Itse asiassa, kun mitataan perusteellavaihtoehtoiset järjestelmät, esimerkiksi heilurin liikkeiden lukumäärä mekaanisessa kellossa, käy ilmi, että tällaisten päivien kesto on erilainen. Aurinkopäivän pituus vaihtelee ympäri vuoden ja kumulatiivinen vaikutus aiheuttaa jopa 16 minuutin kausivaihtelun keskiarvosta.
Ensimmäiset sekunteja näyttävät kellot ilmestyivät1500-luvun jälkipuoliskolla. Varhaisin tunnettu sekuntiosoittimella varustettu kevätkello: päivätty noin 1560–1570. Samaan aikaan kaikki ensimmäiset analogit eivät olleet riittävän tarkkoja.
Vuonna 1656 hollantilainen tiedemies Christiaan Huygenskeksi ensimmäisen heilurikellon. Siinä oli vajaan metrin pituinen heiluri, joka antoi sille yhden sekunnin heilahduksen, ja laukaisumekanismi, joka tiki joka sekunti. Uskotaan, että tämä oli ensimmäinen kello, joka pystyi näyttämään ajan tarkasti sekunneissa.
Henlein taskukello, 1500-luvun alku. Kuva: Germanisches National Museum
Päivän murto-osasta Maan kiertoradalle ja atomimittauksiin
1800-luvun loppuun mennessä sekuntien mittaustarkkuussaavuttivat sellaiset korkeudet, että ne muodostivat perustan ISS:n kansainväliselle metrijärjestelmälle, joka vahvistettiin paino- ja mittakonferenssissa vuonna 1889. Mittari hyväksyttiin pituuden perusyksiköksi, kilo painoksi ja toinen ajalla. Jälkimmäinen määriteltiin 1/86400:ksi keskimääräisestä aurinkopäivästä.
Siitä lähtien, kun maa kiertää Auringonvakaampi kuin planeetan pyöriminen akselinsa ympäri, tämä määritelmä muutettiin myöhemmin ja ilmaistiin murto-osana vuosi: 1 ⁄ 31 556 925,9747 vuodessa. Samanaikaisesti epävarmuuden vähentämiseksi edelleen käytettiin efemeridiaika-asteikkoa, joka laskettiin planeettojen ja tähtien kiertoradan sijainnin perusteella vuonna 1900.
Vuosikymmenien tutkimuksen jälkeen vuonna 1967tiedemiehet hylkäsivät Maan pyörimismenetelmän ja määrittelivät ajan uudelleen, sen sijaan mittasivat hiukkasten liikkeitä atomin sisällä. Erityisesti nykyinen määritelmä käyttää laskemiseen cesium-133:n luonnollista taajuusresonanssia. Siitä hetkestä lähtien toinen määräytyy cesiumatomin värähtelytaajuuden kiinteällä numeerisella arvolla.
Miten atomiaika toimii?
Varhaiset atomiaika-asteikot koostuivatkvartsikellot, joiden taajuudet on kalibroitu pelkästään atomikelloilla. Ne perustuvat atomijärjestelmään, joka voi olla toisessa kahdesta mahdollisesta energiatilasta.
Joukko atomia yhdessä tilassa käy läpimikroaaltouunin säteilyä. Jos säteilyllä on oikea taajuus, joukko atomeja siirtyy eri energiatilaan. Mitä lähempänä taajuus on atomien luonnollista värähtelytaajuutta, sitä useammat atomit vaihtavat tilaa.
Tämä mahdollistaa erittäin tarkan taajuuden virityksen.mikroaaltouunin säteilyä. Kun mikroaaltosäteily on viritetty tunnetulle taajuudelle, sitä voidaan käyttää ajoitusgeneraattorina kuluneen ajan mittaamiseen.
Kansainvälinen atomiaika onyli 450 atomikellon aikapainotettu keskiarvo yli 80 kansallisessa laboratoriossa ympäri maailmaa. Tämän lähestymistavan avulla voimme välttää gravitaatioajan dilataatioon liittyviä vääristymiä.
Tunteja eri oppilaitoksissa verrataan säännöllisestitoistensa kanssa satelliittiviestinnän ja GPS:n avulla. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Ranska) yhdistää nämä mittaukset retrospektiivisen painotetun keskiarvon laskemiseksi, joka muodostaa vakaimman mahdollisen aika-asteikon.
Maailman ensimmäinen atomikello. Kuva: National Physical Laboratory, Public domain, Wikimedia Commonsin kautta
Mitä he haluavat muuttaa?
Teknologian kehittäminen mahdollistaa vielä enemmänparantaa mittaustarkkuutta entisestään. Esimerkiksi vaihtoehtona klassiselle cesiumkellolle fyysikot ehdottavat optisen kellon käyttöä. Nämä kellot käyttävät elementtien, kuten strontiumin ja ytterbiumin, korkeamman taajuuden "tikitystä", jolloin ne voivat jakaa ajan vielä pienemmiksi paloiksi.
Toistaiseksi vaikeus piilee siinä, että virkamiesaikaa ei voida tuottaa pelkällä kellolla. Metrologien on laskettava satojen tuntien lukemat ympäri maailmaa. Cesiumkelloissa aika voidaan siirtää mikroaaltosignaaleilla, mutta tällainen säteily on liian matalataajuista välittämään optisen kellon tikitystä.
Päinvastoin, signaalien lähettäminen ilman kauttaOptiset aallonpituudet eivät ole yhtä yksinkertaisia kuin mikroaaltojen lähettäminen, koska ilmassa olevat molekyylit imevät helposti valoa, mikä heikentää signaalin voimakkuutta merkittävästi. Lisäksi turbulenssi voi ohjata lasersäteen pois kohteesta.
Muutoksia tähän suuntaan kuitenkin tapahtuuedistystä, esimerkiksi äskettäin kiinalaiset tutkijat esittelivät optisten kellojen synkronointia koskevan työnsä tulokset 117 km:n etäisyydellä. Tämä on seitsemän kertaa edellinen ennätys. Jatkokehitys tähän suuntaan auttaa parantamaan toisen määrityksen tarkkuutta 100 kertaa tai enemmän.
Mitta- ja painokonferenssin päätökselläosallistujia kannustetaan jatkamaan vaihtoehtoisten menetelmien kehittämistä ajan mittaamiseen ja synkronointiin. Niiden perusteella muotoillaan ehdotukset uudeksi standardiksi ja siirtymäkaudeksi seuraavaan kokoukseen vuonna 2026.
Ytterbium optinen atomikello. Kuva: NIST
Hyppy kakkoseksi
Jos tämä on edelleen kysymys uudesta standardistavähän epävarmuutta, niin toinen muutos, joka vaikuttaa väliaikaisiin standardeihin, hyväksytään lopulta. Jo vuonna 2035 maailman pitäisi hylätä karkaussekunnit.
Asia on siirtymässä tarkaan mittaukseenatomikelloihin perustuva aika, tutkijat ovat havainneet, että keskimääräinen päivä ei ole yhtä suuri kuin 86 400 standardisekuntia. Ero on vain muutama millisekunti, mutta se kertyy ajan myötä.
Ratkaisu oli karkaussekunteja:Toinen korjaus tehtiin joulukuun lopussa tai kesäkuussa tapauskohtaisesti. Muutokset suunniteltiin sen varmistamiseksi, että käyttämämme kellonaikajärjestelmä, koordinoitu maailmanaika (UTC), ei koskaan poikkea 0,9 sekuntia enempää atomiajasta.
Koska tällaiset muutokset olivat kertaluonteisialuonne, "hyppy" sekunti loi suuria vaikeuksia ohjelmisto-, energia- ja satelliittijärjestelmille. Ensinnäkin on vaikea ennustaa tarkasti, milloin seuraava harppaussekunti tarvitaan, joten ohjelmien kehittäjät eivät voi valmistautua säännöllisiin lisäyksiin. Tästä syystä useat verkot ovat kehittäneet omat epäjohdonmukaiset menetelmänsä hyppysekunnin sisällyttämiseen.
Lisäksi moderni globaali tietojenkäsittelyjärjestelmät ovat tiiviimmin yhteydessä toisiinsa ja riippuvaisempia erittäin tarkasta ajoituksesta, joskus jopa sekunnin miljardisosissa. Ylimääräisen sekunnin lisääminen lisää riskiä, että tietoliikenneverkoista, sähkönsiirrosta, taloustoimista ja muista tärkeistä liiketoiminnoista vastaavat järjestelmät epäonnistuvat tai eivät synkronoidu.
Tämän ongelman välttämiseksi tutkijat ovat hyväksyneetpäätös poistaa nämä lisäykset käytöstä asteittain vuodesta 2035 alkaen. Vuodesta 1972, viimeisten 50 vuoden aikana, UTC-ajan ja kansainvälisen atomiajan välinen ero on ollut vain 37 sekuntia, kun 10 sekuntia on lisätty välittömästi ja 27 sekuntia myöhemmin. Tiedemiehet ehdottavat, että ero, joka kertyy vuoteen 2035 mennessä, korjataan, eikä sitä muuteta ainakaan seuraavan 100 vuoden aikana.
Lue lisää:
Magneettinen myrsky on iskemässä Maahan
Mumifioinnin todellinen merkitys paljastuu: koko tämän ajan tiedemiehet olivat väärässä
Nimetty kuun operaation päävaaraksi "Artemis"