یک ثانیه واقعا چقدر طول می کشد؟ - تیم علمی

غزال زیاری: یک روز 24 ساعت است و یک ساعت 60 دقیقه. هر یک دقیقه هم 60 ثانیه دارد. پس طبیعتا یک ثانیه معادل (60 60 24)/1 یا 86400/1 یک روز است. درست است؟ اما معین شده که تعریف زمان به همین سادگی ها نیست.

ما تا پیش از این عادت داشتیم که ثانیه را به عنوان یک بازه ثابت زمانی در نظر بگیریم. اما این واحد کوچک در طول قرن ها چندین بار دستخوش تغییراتی شده.

پیتر ویبرلی، دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی فیزیک بریتانیا در این باره گفته: ثانیه در اصل براساس طول روز معین می شد. مردم عبور خورشید را از بالای سر خود مشاهده نموده و با استفاده از ساعت های آفتابی آغاز به مقدار گیری حرکت آن نمودند. ابزارهایی این چنینی، زمان را مستقیما براساس موقعیت خورشید در آسمان معین می نمایند که به آن موقع خورشیدی ظاهری می گویند.

ایرادات وارد بر ساعت آفتابی

در هر حال ساعت های آفتابی چندین ایراد دارند. علاوه بر مشکل اصلی که ناتوانی در خواندن ساعت در زمانی که خورشید قابل مشاهده نیست، تکیه و وابستگی بر چرخش روزانه زمین (که تحت عنوان زمان نجومی شناخته می گردد) نیز به طرز حیرت آوری غیر دقیق است.

ویبرلی ادامه داد: چرخش زمین به شکل دقیقی ثابت نیست. در طول زمان، سرعت چرخش کره زمین افزایش یافته یا کند می گردد و تغییرات فصلی و دیگر تغییرات غیرقابل پیش بینی بزرگ از دهه به دهه، به علت تغییرات در هسته مذاب زمین و یا کاهش طولانی مدت ایجاد شده در اثر جزر و مد و حرکت موج ها به جلو و عقب نیز بر آن تاثیرگذار است.

پس اگر طول روز تا این حد غیرقابل اعتماد و متغیر باشد، ما چطور می توانیم زمان را به شکل دقیقی مقدار گیری کنیم؟

ساخت اولین ساعت ها

در قرن شانزدهم میلادی، مردم برای حل این مشکل به سراغ راهکارهای تکنولوژیک رفتند و اولین ساعت های مکانیکی قابل تشخیص ساخته شدند.

سامیت سارکار، فیزیک دان دانشگاه آمستردام در این رابطه گفته: ایده اصلی ساخت ساعت، از حفظ زمان با پیروی از موقعیت خورشید تغییر کرد و به جای آن افراد به سراغ ساخت یک نوسانگر و معین تعداد ثابتی از نوسانات معادل یک ثانیه رفتند.

اولین نمونه های ساعت های مکانیکی ، ساعت های آونگی بودند که در فرکانس معینی معادل یک ثانیه نجومی در طول یک سال تیک تاک می کردند. در سده های بعدی، دانشمندان برروی ساخت نوسانگرهای بهتر و دقیق تر کار نموده و سیستم های زمان سنج بی شمار دیگری از جمله فنرها و چرخ دنده ها را توسعه دادند.

حدود سال 1940 بود که ساعت های کریستال کوارتز تبدیل به استاندارد طلایی شدند. سارکار در این باره گفت: اگر ولتاژی را به یک قطعه کوارتز که با دقت شکل داده شده است اعمال کنید، آغاز به ارتعاش نموده و شما می توانید فرکانس نوسان آن را با دقت تنظیم نمائید. گرچه اندازه دقت این ساعت برای استفاده عمومی مناسب است، اما برای کاربردهای فنی مثل اینترنت، سیستم های GPS یا مطالعه تحقیقات بنیادی خوب و دقیق نخواهد بود.

از آنجا که هر قطعه کوارتز منحصر به فرد است و بنا به شرایط فیزیکی مثل فشار و دما، طنین متفاوتی دارد، مشکلاتی در این راستا ایجاد شد. برای آنکه ساعت ها واقعا دقیق باشند، باید در مقابل بعضی مراجع مستقل و بدون تغییر تنظیم شوند. همین شد که ساعت های اتمی ساخته شدند.

ساعت های اتمی به چه ترتیب کار می نمایند؟

ویبرلی در این رابطه گفت: اتمها رزونانس های ثابت و طبیعی دارند. آنها فقط در حالت های انرژی خاصی وجود دارند و تنها می توانند با جذب یا انتشار اندازه ثابتی از انرژی، از یک حالت به حالتی دیگر تغییر نمایند. این انرژی با یک فرکانس دقیق مطابقت دارد و در نتیجه می توانید از آن فرکانس به عنوان مرجعی برای حفظ زمان استفاده کنید.

• احتمال فوران آتشفشان ایسلند درهر لحظه!

• پیش بینی های هوش مصنوعی تازه گوگل دقیق تر از ابررایانه ها

در سال 1955 بود که از اولین ساعت اتمی عملی رونمایی شد. این ساعت تعداد انتقال انرژی ناشی از امواج مایکروویو در اتم های سزیم را در طول یک ثانیه نجومی مقدار گیری می کرد. در سال 1967، جامعه علمی جهانی موافقت کرد که مفهوم ثانیه بر مبنای این عدد دوباره تعریف گردد و سیستم بین المللی واحدها و مقدار گیری ، حالا یک ثانیه را تحت عنوان مدت زمان 9.192.631.770 نوسان انرژی در اتم سزیم تعریف نموده است.

تغییر در تعریف ثانیه

از آن موقع تا به امروز، ثانیه نجومی همچنان دستخوش تغییر می گردد ولی ثانیه اتمی، دقیقا معادل همان 9.192.631.770 نوسان به جای مانده است. تغییرات در زمان نجومی در حقیقت بدین معناست که هر چند سال یک بار دانشمندان باید یک ثانیه کبیسه به زمان اضافه نمایند تا بتوان کند شدن چرخش زمین را با ساعت اتمی همگام کرد.

طبق گفته ویبرلی، این ثانیه کبیسه در سال 2035 لغو خواهد شد؛ اما دانشمندان و سازمان های دولتی هنوز متوجه نشده اند که چطور باید این اختلاف کوچک را مدیریت نمایند.

اما دانشمندان به این تعریف ثانیه که دقت آن 10 به توان پانزده ثانیه یا یک کوادریلیوم ثانیه است، بسنده نمی نمایند. تیم های تحقیقاتی در سراسر جهان در حال کار کردن برروی ساعت های اتمی نوری دقیق تری هستند که از انتقال اتمی ناشی از نورمرئی با انرژی بالا در عناصری مثل استرانسیوم و ایتربیوم بهره برده و این دقت را تا بیش از 100 برابر بالا ببرند. در حقیقت دانشمندان در حال بحث در این باره هستند که آیا زمان آن فرا رسیده که با بهره گیری از نوسانات ساعت نوری و با استفاده از اشعه فرابنفش و منابع نور مرئی به جای مایکرویو، دوباره ثانیه را تعریف نمایند یا خیر. گرچه قبل از هر کاری باید به چند سوال مهم پاسخ داده گردد ولی معین است که تعریف دقیق ثانیه دائما در معرض تغییر است.

منبع: livescience

5858