Net als andere grootheden is de tweede slechts een relatief concept dat gebaseerd is op de conventie van
In 1875 waren er 17 toonaangevende landen van die tijddie, waaronder Oostenrijk-Hongarije, het Russische en Ottomaanse rijk, Frankrijk, Duitsland, de Verenigde Staten en Brazilië, de Metric Convention hebben ondertekend - een internationaal verdrag dat de eenheid van meetstandaarden in verschillende landen garandeert. Om uniforme principes te ontwikkelen en referentiemetingen uit te voeren, hebben staten het International Bureau of Weights and Measures opgericht.
Op de 27e conferentie over maten en gewichtenVertegenwoordigers van verschillende landen waren het erover eens dat de moderne definitie van de tweede niet langer voldoet aan de vereiste nauwkeurigheid van metingen en moet worden herzien. De routekaart bepaalt dat landen tijdens de volgende bijeenkomst over vier jaar een nieuw, nauwkeuriger referentiesysteem moeten kiezen en de formulering van het tweede moeten wijzigen.
Eerste metingen van een seconde
Eeuwenlang hebben mensen de tijd gemetende draaiing van de aarde. Van de oude Egyptenaren tot de Griekse astronomen en Babyloniërs, de mensheid veranderde geleidelijk de nauwkeurigheid van metingen, waarvoor nieuwe tijdseenheden nodig waren, en met de ontwikkeling van technologie, hun eenwording en synchronisatie.
De allereerste mechanische horloges die verschenen inXIV eeuw waren er niet eens minuten. De wijzerplaten waren verdeeld in helften, derde delen, kwartalen en soms zelfs in 12 delen van een uur, maar nooit in 60. De eerste mechanische horloges met minuten verschenen tegen het einde van de 16e eeuw. Tegelijkertijd schakelden mechanische horloges, in tegenstelling tot zonnewijzers die de schijnbare tijd aangaven, over op gemiddelde tijd.
Feit is dat de baanbeweging van de aarde rond de zon leidt totSchijnbare zonnetijd gebruikt de tijd tussen de twee momenten waarop onze ster op zijn hoogtepunt staat als de definitie van de dag.In dit geval worden fractionele delen (uren en minuten) bepaald op basis van de beweging van de zon.
In feite gemeten op basis vanalternatieve systemen, bijvoorbeeld het aantal bewegingen van de slinger in een mechanische klok, blijkt dat de duur van dergelijke dagen anders is. De lengte van een zonnedag varieert gedurende het jaar en het cumulatieve effect veroorzaakt seizoensafwijkingen tot 16 minuten van het gemiddelde.
De eerste klokken met seconden verschenen in de tweede helft van de 16e eeuw.De vroegst bekende veerklokken met een wijzer die de seconden aangeeft, dateren van rond 1560-1570.Tegelijkertijd werden alle eerste analogen gekenmerkt door onvoldoende nauwkeurigheid.
In 1656 ontdekte de Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygensvond de eerste slingeruurwerk uit. Het had een slinger van iets minder dan een meter lang, waardoor hij een seconde kon zwaaien, en een trekkermechanisme dat elke seconde tikte. Er wordt aangenomen dat dit het eerste horloge was dat de tijd in seconden nauwkeurig kon weergeven.
Henlein zakhorloge, begin 16e eeuw. Afbeelding: Germanisches Nationaal Museum
Van een fractie van een dag tot de baanrotatie van de aarde en atomaire metingen
Tegen het einde van de 19e eeuw, de nauwkeurigheid van het meten van secondenbereikten zulke hoogten dat ze de basis vormden van het internationale metrieke stelsel van het ISS, dat in 1889 werd vastgesteld door de Algemene Conferentie voor Gewichten en Maatregelen. De meter werd goedgekeurd als basiseenheid voor lengte, de kilogram voor gewicht en de seconde voor tijd. Dit laatste werd gedefinieerd als 1/86400 van de gemiddelde zonnedag.
Sinds de baan van de aarde rond de zonstabieler dan de rotatie van een planeet om zijn as, werd deze definitie later gewijzigd en uitgedrukt in termen van een fractie van een jaar: 1 ⁄ 31.556.925,9747 van een jaar. Tegelijkertijd werd, om de onzekerheid verder te verminderen, een efemeride tijdschaal gebruikt, berekend op basis van de positie van de banen van planeten en sterren in 1900.
In 1967, na tientallen jaren van onderzoek,wetenschappers verlieten de rotatiemethode van de aarde en herdefinieerden tijd, in plaats daarvan de bewegingen van deeltjes in een atoom te meten. In het bijzonder gebruikt de huidige definitie de eigenfrequentieresonantie van cesium-133 om te berekenen. Vanaf dat moment wordt de seconde bepaald door een vaste getalswaarde van de trillingsfrequentie van het cesiumatoom.
Hoe werkt atoomtijd?
Vroege atomaire tijdschalen bestonden uit:kwartsklokken waarvan de frequenties zijn gekalibreerd met alleen atoomklokken. Ze zijn gebaseerd op een systeem van atomen die zich in een van twee mogelijke energietoestanden kunnen bevinden.
Een groep atomen in één toestand ondergaatmicrogolfstraling. Als de straling de juiste frequentie heeft, gaan een aantal atomen naar een andere energietoestand. Hoe dichter de frequentie bij de natuurlijke trillingsfrequentie van de atomen ligt, hoe meer atomen van toestand zullen wisselen.
Dit maakt een zeer nauwkeurige frequentieafstemming mogelijk.microgolf straling. Zodra de microgolfstraling is afgestemd op een bekende frequentie, kan deze worden gebruikt als timinggenerator om de verstreken tijd te meten.
Internationale Atoomtijd weleen tijdgewogen gemiddelde van meer dan 450 atoomklokken in meer dan 80 nationale laboratoria over de hele wereld. Deze aanpak stelt ons in staat vervormingen te vermijden die verband houden met tijdsdilatatie door zwaartekracht.
Uren in verschillende instellingen worden regelmatig vergelekenmet elkaar communiceren via satellietcommunicatie en GPS. Het Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Frankrijk) combineert deze metingen om een retrospectief gewogen gemiddelde te berekenen dat een zo stabiel mogelijke tijdschaal vormt.
De eerste atoomklok ter wereld. Afbeelding: National Physical Laboratory, publiek domein, via Wikimedia Commons
Wat willen ze veranderen?
Verdere ontwikkeling van technologie maakt nog meer mogelijkde meetnauwkeurigheid verder te verbeteren. Als alternatief voor de klassieke cesiumklok stellen natuurkundigen bijvoorbeeld voor om een optische klok te gebruiken. Deze klokken gebruiken het "tikken" van elementen zoals strontium en ytterbium met een hogere frequentie, waardoor ze de tijd in nog kleinere brokken kunnen opsplitsen.
De moeilijkheid zit hem tot nu toe in het feit dat de ambtenaartijd kan niet worden gegenereerd met alleen klokken. Metrologen moeten de metingen van honderden uren over de hele wereld gemiddelden. Voor cesiumklokken kan tijd worden verzonden met behulp van microgolfsignalen, maar dergelijke straling heeft een te lage frequentie om het tikken van een optische klok over te dragen.
Integendeel, de overdracht van signalen via de lucht is mogelijkOptische golflengten zijn niet zo eenvoudig als het verzenden van microgolven, omdat moleculen in de lucht gemakkelijk licht absorberen, waardoor de signaalsterkte dramatisch wordt verminderd. Bovendien kan turbulentie de laserstraal van het doel afleiden.
Er zijn echter veranderingen in deze richtingvooruitgang, zo presenteerden Chinese wetenschappers onlangs de resultaten van hun werk aan de synchronisatie van optische klokken op een afstand van 117 km. Dit is zeven keer het vorige record. Verdere ontwikkeling in deze richting zal de nauwkeurigheid van het bepalen van de seconde met 100 keer of meer helpen verbeteren.
Bij besluit van de Conferentie over Maten en Gewichtendeelnemers worden aangemoedigd om door te gaan met het ontwikkelen van alternatieve methoden voor het meten en synchroniseren van tijd. Op basis daarvan zullen in de volgende bijeenkomst in 2026 voorstellen voor een nieuwe norm en transitieperiode worden geformuleerd.
Ytterbium optische atoomklok. Afbeelding: NIST
Sprong tweede
Of dit nog een kwestie is van de nieuwe normweinig onzekerheid, dan wordt eindelijk een andere wijziging geaccepteerd die van invloed zal zijn op de voorlopige normen. Al in 2035 zou de wereld schrikkelseconden moeten opgeven.
Het punt is dat in de overgang naar nauwkeurig metentijd gebaseerd op atoomklokken, hebben wetenschappers ontdekt dat de gemiddelde dag niet gelijk is aan 86.400 standaardseconden. Het verschil is slechts enkele milliseconden, maar stapelt zich op in de loop van de tijd.
De oplossing was schrikkelseconden:Eind december of juni werden op ad-hocbasis correcties van één seconde toegepast. De veranderingen waren bedoeld om ervoor te zorgen dat het tijdwaarnemingssysteem dat we gebruiken, Coulated Universal Time (UTC), nooit meer dan 0,9 seconden verschilt van de atoomtijd.
Omdat dergelijke wijzigingen eenmalig warenpersonage, "schrikkelseconden" zorgden voor grote moeilijkheden voor software, energie en satellietsystemen. Ten eerste is het moeilijk precies te voorspellen wanneer de volgende schrikkelseconde nodig is, zodat programmaontwikkelaars zich niet kunnen voorbereiden op ordelijke, regelmatige invoegingen. Daarom hebben verschillende netwerken hun eigen inconsistente methoden ontwikkeld om de schrikkelseconde op te nemen.
Bovendien moderne global computingsystemen zijn nauwer met elkaar verbonden geraakt en afhankelijker geworden van supernauwkeurige timing, soms tot miljardsten van een seconde. Het toevoegen van een extra seconde vergroot het risico dat systemen die verantwoordelijk zijn voor telecommunicatienetwerken, stroomtransmissie, financiële transacties en andere vitale bedrijven niet of niet synchroniseren.
Om dit probleem te voorkomen, hebben wetenschappers aangenomeneen besluit om deze inzetstukken vanaf 2035 uit te faseren. Sinds 1972, in de afgelopen 50 jaar, is het verschil tussen UTC en de internationale atoomtijd slechts 37 seconden, met onmiddellijk 10 seconden erbij en later nog eens 27 seconden. Wetenschappers stellen voor om het verschil dat tegen 2035 zal zijn opgebouwd vast te leggen en het de komende 100 jaar niet te veranderen.
Lees verder:
Een magnetische storm staat op het punt de aarde te raken
De ware betekenis van mummificatie wordt onthuld: al die tijd hadden wetenschappers het bij het verkeerde eind
Genoemd het grootste gevaar van de maanmissie "Artemis"