Podobnie jak inne wielkości, druga jest po prostu pojęciem względnym, opartym na umowie
W 1875 roku 17 czołowych ówczesnych państw, m.inktórymi były m.in. Austro-Węgry, Imperium Rosyjskie i Imperium Osmańskie, Francja, Niemcy, Stany Zjednoczone i Brazylia, podpisały Konwencję Metryczną - międzynarodowy traktat zapewniający jedność standardów miar w różnych krajach. W celu wypracowania jednolitych zasad i prowadzenia pomiarów wzorcowych państwa utworzyły Międzynarodowe Biuro Miar i Wag.
Na XXVII Konferencji Miar i WagPrzedstawiciele różnych krajów zgodzili się, że współczesna definicja sekundy przestaje spełniać wymaganą dokładność pomiarów i wymaga rewizji. Mapa drogowa przewiduje, że na kolejnym spotkaniu za cztery lata państwa będą musiały wybrać nowy, dokładniejszy system odniesienia i zmienić brzmienie drugiego.
Pierwsze pomiary sekundy
Od wieków ludzie odmierzali czas wedługobrót ziemi. Od starożytnych Egipcjan po greckich astronomów i Babilończyków ludzkość stopniowo zmieniała dokładność pomiarów, co wymagało nowych jednostek czasu, a wraz z rozwojem techniki ich unifikacji i synchronizacji.
Pierwsze zegarki mechaniczne, które pojawiły się wXIV wieku nie było nawet minut. Tarcze dzieliły się na połówki, tercje, ćwiartki, a czasem nawet na 12 części godziny, ale nigdy na 60. Pierwsze mechaniczne zegarki pokazujące minuty pojawiły się pod koniec XVI wieku. Jednocześnie, w przeciwieństwie do zegarów słonecznych, które wskazywały czas pozorny, zegarki mechaniczne przełączały się na czas średni.
Faktem jest, że ruch orbitalny Ziemi wokółSłońce powoduje nierówną długość dnia. Pozorny czas słoneczny wykorzystuje czas pomiędzy dwoma momentami, gdy nasza gwiazda znajduje się w zenicie, jako definicję dnia. W tym przypadku części ułamkowe (godziny i minuty) są określane na podstawie ruchu Słońca.
W rzeczywistości, mierząc na podstawiealternatywnych układów, na przykład liczby ruchów wahadła w zegarze mechanicznym, okazuje się, że długość takich dni jest różna. Długość dnia słonecznego zmienia się w ciągu roku, a skumulowany efekt powoduje sezonowe odchylenia do 16 minut od średniej.
Pojawiły się pierwsze zegary wskazujące sekundydruga połowa XVI wieku. Najstarszy znany zegar wiosenny ze wskazówką sekundową: datowany na lata około 1560–1570. Jednocześnie wszystkie pierwsze analogi były niewystarczająco dokładne.
W 1656 roku holenderski naukowiec Christiaan Huygenswynalazł pierwszy zegar wahadłowy. Miał wahadło o długości niecałego metra, które zapewniało mu jednosekundowy ruch, oraz mechanizm spustowy, który tykał co sekundę. Uważa się, że był to pierwszy zegarek, który mógł dokładnie pokazywać czas w sekundach.
Zegarek kieszonkowy Henlein, początek XVI wieku. Zdjęcie: Germanisches National Museum
Od ułamka dnia po obrót orbity Ziemi i pomiary atomowe
Pod koniec XIX wieku dokładność pomiaru sekundosiągnęły takie wyżyny, że stanowiły podstawę międzynarodowego systemu metrycznego ISS, który został ustalony przez Generalną Konferencję Miar i Wag w 1889 roku. Metr został uznany za podstawową jednostkę długości, kilogram za wagę, a drugi za czas. Ta ostatnia została zdefiniowana jako 1/86400 przeciętnej doby słonecznej.
Od czasu orbity Ziemi wokół Słońcabardziej stabilny niż obrót planety wokół własnej osi, definicja ta została później zmieniona i wyrażona w ułamku roku: 1 ⁄ 31 556 925,9747 roku. Jednocześnie, aby jeszcze bardziej zmniejszyć niepewność, zastosowano efemerydową skalę czasu, obliczoną na podstawie położenia orbit planet i gwiazd w roku 1900.
W 1967 roku, po dziesięcioleciach badań,naukowcy porzucili metodę rotacji Ziemi i na nowo zdefiniowali czas, zamiast tego mierząc ruchy cząstek w atomie. W szczególności obecna definicja wykorzystuje do obliczeń naturalny rezonans częstotliwości cezu-133. Od tego momentu sekunda jest określana przez ustaloną liczbową wartość częstotliwości drgań atomu cezu.
Jak działa czas atomowy?
Wczesne atomowe skale czasu składały się zzegary kwarcowe z częstotliwościami skalibrowanymi wyłącznie za pomocą zegarów atomowych. Opierają się na układzie atomów, które mogą znajdować się w jednym z dwóch możliwych stanów energetycznych.
Przechodzi grupa atomów będąca w jednym staniepromieniowanie mikrofalowe. Jeśli promieniowanie będzie miało odpowiednią częstotliwość, pewna liczba atomów przejdzie do innego stanu energetycznego. Im częstotliwość jest bliższa naturalnej częstotliwości drgań atomów, tym więcej atomów będzie przełączać stany.
Pozwala to na bardzo precyzyjne strojenie częstotliwości.promieniowanie mikrofalowe. Po dostrojeniu promieniowania mikrofalowego do znanej częstotliwości można go użyć jako generatora synchronizacji do pomiaru czasu, który upłynął.
Międzynarodowy czas atomowy tośrednia ważona w czasie z ponad 450 zegarów atomowych w ponad 80 laboratoriach krajowych na całym świecie. Takie podejście pozwala nam uniknąć zniekształceń związanych z grawitacyjnym dylatacją czasu.
Godziny w różnych instytucjach są regularnie porównywaneze sobą za pomocą łączności satelitarnej i GPS. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Francja) łączy te pomiary, aby obliczyć retrospektywną średnią ważoną, która tworzy najbardziej stabilną możliwą skalę czasową.
Pierwszy na świecie zegar atomowy. Zdjęcie: National Physical Laboratory, domena publiczna, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Co chcą zmienić?
Dalszy rozwój technologii pozwala na jeszcze więcejjeszcze bardziej poprawić dokładność pomiaru. Na przykład jako alternatywę dla klasycznego zegara cezowego fizycy sugerują użycie zegara optycznego. Zegary te wykorzystują „tykanie” o wyższej częstotliwości pierwiastków, takich jak stront i iterb, co pozwala im rozbijać czas na jeszcze mniejsze części.
Jak dotąd trudność polega na tym, że urzędnikczasu nie można wygenerować za pomocą samych zegarów. Metrologowie muszą uśredniać odczyty z setek godzin na całym świecie. W przypadku zegarów cezowych czas może być przesyłany za pomocą sygnałów mikrofalowych, ale takie promieniowanie ma zbyt niską częstotliwość, aby transmitować tykanie zegara optycznego.
Wręcz przeciwnie, transmisja sygnałów drogą powietrzną doDługości fal optycznych nie są tak proste, jak wysyłanie mikrofal, ponieważ cząsteczki w powietrzu łatwo absorbują światło, radykalnie zmniejszając siłę sygnału. Dodatkowo turbulencje mogą skierować wiązkę lasera z dala od celu.
Jednak zmiany w tym kierunku sąpostępu, na przykład niedawno chińscy naukowcy zaprezentowali wyniki swoich prac nad synchronizacją zegarów optycznych w odległości 117 km. To siedmiokrotnie więcej niż poprzedni rekord. Dalszy rozwój w tym kierunku pomoże poprawić dokładność określania sekundy o 100 lub więcej razy.
Decyzją Konferencji Miar i Wagzachęca się uczestników do dalszego rozwijania alternatywnych metod pomiaru i synchronizacji czasu. Na ich podstawie propozycje nowego standardu i okresu przejściowego zostaną sformułowane do kolejnego spotkania w 2026 roku.
Iterbowy optyczny zegar atomowy. Obraz: NIST
Skok drugi
Jeśli jest to nadal kwestia nowego standardumałej niepewności, to ostatecznie akceptowana jest kolejna zmiana, która wpłynie na prowizoryczne normy. Już w 2035 roku świat powinien zrezygnować z sekund przestępnych.
Chodzi o to, że w przejściu do precyzyjnego pomiaruczasu opartego na zegarach atomowych, naukowcy odkryli, że przeciętny dzień nie jest równy 86 400 standardowym sekundom. Różnica wynosi tylko kilka milisekund, ale kumuluje się z czasem.
Rozwiązaniem były sekundy przestępne:korekty jednosekundowe zastosowano doraźnie pod koniec grudnia lub w czerwcu. Zmiany zaplanowano w taki sposób, aby używany przez nas system pomiaru czasu, uniwersalny czas koordynowany (UTC), nigdy nie różnił się od czasu atomowego o więcej niż 0,9 sekundy.
Ponieważ takie zmiany były jednorazowecharakter, „przestępne” sekundy stwarzały ogromne trudności dla oprogramowania, systemów energetycznych i satelitarnych. Po pierwsze, trudno jest dokładnie przewidzieć, kiedy potrzebna jest następna sekunda przestępna, więc programiści nie mogą przygotować się na uporządkowane, regularne wstawianie. Dlatego różne sieci opracowały własne, niespójne metody włączania sekundy przestępnej.
Ponadto nowoczesne globalne przetwarzaniesystemy stały się ściślej ze sobą powiązane i bardziej zależne od bardzo dokładnego pomiaru czasu, czasami z dokładnością do miliardowych części sekundy. Dodanie dodatkowej sekundy zwiększa ryzyko, że systemy odpowiedzialne za sieci telekomunikacyjne, przesył energii, transakcje finansowe i inne ważne biznesy ulegną awarii lub nie zsynchronizują się.
Aby uniknąć tego problemu, naukowcy przyjęlidecyzja o wycofaniu tych wkładek od 2035 r. Od 1972 roku, w ciągu ostatnich 50 lat, różnica między UTC a międzynarodowym czasem atomowym wynosiła zaledwie 37 sekund, przy czym 10 sekund dodano natychmiast, a kolejne 27 sekund dodano później. Naukowcy proponują naprawić różnicę, która będzie się kumulować do 2035 roku i nie zmieniać jej przez co najmniej kolejne 100 lat.
Czytaj więcej:
Burza magnetyczna zbliża się do Ziemi
Ujawnia się prawdziwe znaczenie mumifikacji: przez cały ten czas naukowcy się mylili
Nazwany głównym niebezpieczeństwem misji księżycowej „Artemida”