Vreme je od vitalnog značaja za funkcionisanje našeg svakodnevnog života: od satova na našim zglobovima do GPS sistema u našim telefonima. Komunikacioni sistemi, električne mreže i finansijske transakcije se oslanjaju na precizno merenje vremena. Sekunde su vitalne merne jedinice u merenju vremena.
Iznenađujuće, još uvek postoji debata o definiciji drugog. Ali nedavni napredak u najtačnijim oblicima merenja vremena na svetu možda je upravo promenio igru.
Tačno merenje vremena je uvek bilo deo društvene evolucije čovečanstva. Na neolitskom spomeniku Njugrejndž u Irskoj, poseban otvor iznad ulaza omogućava sunčevoj svetlosti da osvetli prolaz i odaju u najkraćim danima u godini, oko 21. decembra, zimskog solsticija.
Pre nekih 2.300 godina, Aristotel je rekao da bi „revolucija najudaljenije sfere neba“ trebalo da bude referenca za merenje vremena. Grčki filozof je verovao da je kosmos raspoređen u koncentrične sfere, sa Zemljom u centru.
Vodeni satovi, koji su se pojavili oko 2.000 godina pre nove ere, spadaju među najstarije instrumente za merenje vremena. Oni to rade regulacijom protoka vode u ili iz posude. Mehanički sat je tada uspostavljen krajem 13. veka.
Do 1967. sekunda je bila definisana kao 1/86.400 dana, sa dvadeset četiri sata u danu, šezdeset minuta u satu i 60 sekundi u minutu (24 k 60 k 60 = 86.400). Međunarodni sistem jedinica je tada promenio stvari, zadovoljivši se sa ovom definicijom:
„Drugi… je definisan uzimanjem… prelazne frekvencije atoma cezijum-133, da bude 9192631770 kada se izrazi u jedinici Hz, što je jednako s⁻¹.“
Ako ste zbunjeni, dozvolite mi da detaljnije objasnim. Srž ove definicije je nešto što se zove prelazna frekvencija. Tranzicija se dešava kada elektroni u atomu apsorbuju energiju i prelaze na viši nivo energije, vraćajući se u opušteno stanje nakon vremena. To je pomalo kao da popijete šoljicu kafe: odjednom imate više energije, sve dok kofein ne nestane. Učestalost je očekivani broj puta da se tranzicija dogodi za određeni vremenski period.
U svakom tiku sekunde, specifičan prelaz elektrona cezijuma-133 javlja se 9192631770 puta. Ovo je postalo merilo merenja vremena. Do danas, cezijum daje najtačniju definiciju drugog, ali se može poboljšati korišćenjem viših frekvencija.
Što je veća frekvencija prelaza, to manje jedno pogrešno čitanje može poremetiti ukupnu preciznost. Da je bilo pedeset prelazaka u sekundi, cena u smislu tačnosti pogrešnog brojanja jednog bila bi sto puta veća nego da ih ima 5.000.
Postoje dva ograničenja u smanjenju ove greške: tehnološki izazovi merenja frekvencija, posebno onih viših; i potreba da se pronađe sistem — atomi cezijum-133 za drugi — sa merljivim prelazom visoke frekvencije.
Da bi izmerili nepoznatu frekvenciju, naučnici uzimaju signal poznate frekvencije — referencu — i kombinuju ga sa frekvencijom koju žele da izmere. Razlika između njih biće novi signal sa malom frekvencijom koju je lako izmeriti: frekvencija udara.
Atomski satovi koriste ovu tehniku za merenje prelazne frekvencije atoma tako precizno da postaju standardi za definisanje sekunde. Da bi postigli takvu preciznost, naučnicima je potreban pouzdan referentni signal koji dobijaju pomoću nečega što se zove frekventni češalj.
Frekventni češalj koristi lasere koji se emituju u isprekidanim impulsima. Ovi snopovi sadrže mnogo različitih talasa svetlosti, čije su frekvencije podjednako raspoređene, poput zubaca češlja – otuda i naziv.
U atomskim satovima, frekventni češalj se koristi za prenos energije na milione atoma istovremeno, nadajući se da će jedan od zubaca češlja kucati sa prelaznom frekvencijom atoma. Češalj za frekvenciju čiji su zupci brojni, tanki i u pravom opsegu frekvencija povećava šanse da se to dogodi. Oni su stoga ključni za postizanje visoke preciznosti merenja referentnog signala.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
Kao što smo videli, drugi je definisan elektronskim prelazima u atomima cezijuma. Lakše je izmeriti prelaze koji se dešavaju sa nižom frekvencijom. Ali oni koji se javljaju na višoj frekvenciji pomažu u povećanju tačnosti merenja.
Prelazi cezijuma se javljaju na približno istoj frekvenciji na elektromagnetnom spektru kao i mikrotalasi. Ove mikrotalasne frekvencije su niže od frekvencija vidljive svetlosti. Ali u septembru 2021. naučnici su izvršili merenja koristeći element stroncijuma, čija je prelazna frekvencija viša od cezijuma i spada u opseg vidljive svetlosti. Ovo otvara mogućnost redefinisanja drugog do 2030. godine.
U septembru 2024. američki naučnici su napravili ključni napredak u izgradnji nuklearnog sata — korak dalje od atomskog sata. Za razliku od atomskog sata, tranzicija koju meri ovaj novi uređaj dešava se u jezgru, ili jezgru, atoma (otuda i naziv), što mu daje još veću frekvenciju.
Torijum-229, atom koji se koristi za ovu studiju, nudi nuklearnu tranziciju koja može biti uzbuđena ultraljubičastom svetlošću. Tim koji radi na nuklearnom satu prevazišao je tehnološki izazov izgradnje frekventnog češlja koji radi na relativno visokom frekventnom opsegu ultraljubičastog svetla.
Ovo je bio veliki korak napred jer nuklearni prelazi obično postaju vidljivi samo na mnogo višim frekvencijama – poput onih kod gama zračenja. Ali još uvek nismo u mogućnosti da precizno izmerimo prelaze u gama opsegu.
Prelaz atoma torijuma ima frekvenciju otprilike milion puta veću od frekvencije atoma cezijuma. To znači da, iako je meren sa manjom preciznošću od trenutnog najsavremenijeg stroncijumovog sata, obećava novu generaciju satova sa mnogo preciznijim definicijama sekunde.
Merenje vremena na devetnaestu decimalu, kao što bi nuklearni satovi mogli da urade, omogućilo bi naučnicima da proučavaju veoma brze procese. Zamislite dva trkača vezana u foto finišu. Ako bi sudijska štoperica imala nekoliko dodatnih cifara, oni bi mogli da identifikuju pobednika.
Slično tome, opšta teorija relativnosti se koristi za proučavanje procesa velike brzine koji bi mogli dovesti do preklapanja sa kvantnom mehanikom. Nuklearni sat će nam dati tehnologiju neophodnu za dokazivanje ovih teorija.
Na tehnološkom nivou, precizni sistemi za pozicioniranje kao što je GPS zasnovani su na složenim proračunima koji zahtevaju fina merenja vremena potrebnog signalu za skok sa jednog uređaja na satelit i na drugi uređaj.
Bolja definicija drugog će se prevesti u mnogo precizniji GPS. Vreme je možda isteklo za sekundu cezijuma, ali ceo novi svet čeka iza njega.
