ΔΙΣΕΚΤΟ
ΔΕΥΤΕΡΟΛΕΠΤΟ

Το πρόβλημα της ακριβούς
μέτρησης του χρόνου

Τι ώρα είναι; Ο ένας μπορεί να λέει 10:20, ένας άλλος 10:22 κι ένας τρίτος 10:30. Προκειμένου να μάθουμε την ακριβή ώρα θα πρέπει να ρυθμίσουμε ξανά τα ρολόγια μας. Γι’ αυτό χρειαζόμαστε ένα κεντρικό ρολόι, που να συμφωνούμε όλοι ότι πάει σωστά.

Πώς ακριβώς λένε την ώρα λοιπόν; Πώς γίνεται;

Η ικανότητα να λέμε την ώρα με ακρίβεια άλλαξε το σύγχρονο κόσμο. Μία εκπληκτική γκάμα τεχνολογιών είναι εφικτή χάρη στα ρολόγια ακριβείας. Κινητά, εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού, δορυφορική πλοήγηση. Όλα απαιτούν ακρίβεια δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Το να λες την ώρα με τέτοια ακρίβεια είναι απροσδόκητα δύσκολο. Για να μάθουμε πώς γίνεται, πρέπει πρώτα να γυρίσουμε το χρόνο πίσω. Κάποτε ήταν απλό να έλεγες την ώρα. Όταν ο Ήλιος ήταν ψηλά, ήταν μέρα. Όταν έβγαινε το φεγγάρι, ήταν νύχτα. Όμως, δεν υπήρχε ακριβής τρόπος να λες την ώρα, μέχρι πριν από τρεισήμισι αιώνες. Τότε, ο ολλανδός Christiaan Huygens εφηύρε το ρολόι εκκρεμές.

Ο Christiaan Huygens και το πρώτο εκκρεμές ρολόι που εφηύρε.

Τα εκκρεμή μας επέτρεψαν να λέμε την ώρα με ακρίβεια δευτερολέπτου. Όμως, ενώ ήταν εξαιρετικά ακριβή, όλοι τα ρύθμιζαν σε λίγο διαφορετική ώρα ανάλογα με το που ζούσαν. Αρχικά αυτό δεν ήταν πρόβλημα, μέχρι τη Βιομηχανική Επανάσταση και την άφιξη του σιδηρόδρομου. Στις σιδηροδρομικές γραμμές βοηθάει αν έχεις αξιόπιστα δρομολόγια. Όμως, μέχρι τον 19ο αιώνα κάθε πόλη είχε τη δική της τοπική ώρα. Στη Βρετανία, στις 11:35 ώρα Λονδίνου, μπορεί να ήταν 11:19 ώρα Γλασκόβης. Αυτό δεν είναι καλό αν θέλεις να υπολογίσεις ποιο τρένο να πάρεις.

Η λύση ήταν να ρυθμίζουν όλα τα ρολόγια σύμφωνα με ένα κεντρικό. Από την 1η Δεκεμβρίου 1847 τα ρολόγια στη Βρετανία και αργότερα παντού, ρυθμίστηκαν σύμφωνα με την ώρα του Greenwich, που έγινε γνωστή ως GMT (Greenwich Mean Time).

Η ώρα Greenwich ήταν ένα τεράστιο βήμα προόδου. Και ενώ τα τρένα συνέχισαν να αργούν, τουλάχιστον όλοι συμφωνούσαν στο πόση ώρα καθυστέρηση είχαν.

Η λωρίδα που σηματοδοτεί τον πρώτο μεσημβρινό του Greenwich, ο οποίος χωρίζει τη Γη στα δύο ημισφαίρια.

Στα μέσα του 20ού αιώνα, η ακρίβεια δευτερολέπτου δεν αρκούσε για όλους. Οι φυσικοί ειδικά, ήθελαν κάτι πιο ακριβές. Το πρόβλημα ήταν ότι τα μηχανικά εκκρεμή κινούνται με ελαφρές διαφορές και επηρεάζονται από αλλαγές σε θερμοκρασία και υγρασία. Οι επιστήμονες ήξεραν ότι έπρεπε να βρουν ένα πιο ακριβές εκκρεμές.

Η επανάσταση ήρθε το 1949, όταν δημιουργήθηκε το πρώτο ατομικό ρολόι του κόσμου. Στο Εθνικό Ινστιτούτο Τυποποίησης και Τεχνολογίας στο Boulder του Colorado, έχουν ένα από τα το πιο ακριβή ατομικά ρολόγια. Έχει απόκλιση ενός δευτερολέπτου σε 70 εκατομμύρια χρόνια. Αν δηλαδή το ρυθμίζαμε την εποχή του Τυραννόσαυρου Ρεξ, σε όλο αυτό το διάστημα δεν θα είχε απόκλιση άνω του ενός δευτερολέπτου.

Τα ατομικά ρολόγια έμοιαζαν αλλόκοτα, αλλά επρόκειτο να αλλάξουν τον κόσμο. Αντί για μηχανικό εκκρεμές, χρησιμοποιούσαν ατομικό. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα άτομα δονούνται με τακτική συχνότητα και σκέφτηκαν ότι με τις δονήσεις τους θα μπορούσε να μετριέται το δευτερόλεπτο, όπως και με τις ταλαντώσεις ενός συμβατικού εκκρεμούς.

Oι βρετανοί επιστήμονες Louis Essen (δεξιά) και Jack Parry μπροστά σε ένα από τα πρώτα ατομικά ρολόγια καισίου (1955).

Σύμφωνα με το ατομικό ρολόι καισίου, η επίσημη διάρκεια ενός δευτερολέπτου ήταν ακριβώς 9.192.631.770 δονήσεις ενός ατόμου καισίου. Σύντομα, κάθε προηγμένη χώρα έφτιαχνε το δικό της ατομικό ρολόι.

Και τότε, ανακάλυψαν ένα παμπάλαιο πρόβλημα. Όλα τα ατομικά ρολόγια μετρούσαν ελάχιστα διαφορετικές ώρες. Έτσι συνεχίζει να μην υπάρχει μία παγκόσμια αποδεκτή ώρα. Για να λύσουν το πρόβλημα, συνέκριναν τις ώρες και κατέγραψαν 300 διαφορετικά ατομικά ρολόγια σε πάνω από 60 χώρες σε όλο τον κόσμο.

Η απίθανη θέση συγκέντρωσης όλων των πληροφοριών είναι ένα σατό στο Παρίσι. Για να υπολογίσουν ακριβώς τι ώρα είναι, πρώτα καταγράφουν την ώρα σύμφωνα με τα διάφορα ρολόγια και μετά βγάζουν τον μέσο όρο. Το αποτέλεσμα είναι η UTC ή Συντονισμένη Παγκόσμια Ώρα (Coordinated Universal Time). Η UTC είναι το κεντρικό ρολόι, σύμφωνα με το οποίο ρυθμίζονται όλα τα άλλα.

Το ατομικό ρολόι NIST-F2 χάνει μόλις ένα δευτερόλεπτο στα 300 εκατομμύρια χρόνια.

Yπάρχει όμως ένα ακόμα πρόβλημα. Xρειάζονται εβδομάδες για να συγκριθούν όλα τα δεδομένα. Έτσι, δεν λέει τι ώρα είναι, αλλά τι ώρα ήταν πριν από έξι εβδομάδες. Η Συντονισμένη Παγκόσμια Ώρα δεν είναι πραγματικός, αλλά προγενέστερος χρόνος.

Κι αυτό δεν είναι το μόνο πρόβλημα. Με τα ατομικά ρολόγια οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η μέρα είναι 0,002 του δευτερολέπτου μεγαλύτερη απ΄ ό,τι το 1900. Αυτό οφείλεται στο ότι η περιστροφή της Γης επιβραδύνεται σταδιακά, λόγω οπισθέλκουσας από τις παλίρροιες. Άρα, μπορεί μια μέρα στο μακρινό μέλλον τα ρολόγια να δείχνουν μεσημέρι, αλλά ο Ήλιος ήδη να δύει.

Έτσι, οι ειδήμονες βρήκαν μία έξυπνη λύση. Το «δίσεκτο» δευτερόλεπτο. Κάθε λίγα χρόνια προσαρμόζουν την UTC προσθέτοντας ένα δευτερόλεπτο, είτε στις 30 Ιουνίου είτε στις 31 Δεκεμβρίου.

Aπό τότε που αρχίσαμε να μετράμε το χρόνο με ατομικά ρολόγια, έχουν προστεθεί συνολικά 33 δίσεκτα δευτερόλεπτα.



ΓΡΑΨΤΕ ΤΟ ΜΗΝΥΜΑ ΣΑΣ


4 ΣΧΟΛΙΑ

  • Bielidopoulos

    4 Οκτ 2017

    Από την άλλη μεριά το κβαντικό σύστημα επιδεικνύει αβεβαιότητα (τυχαιότητα ορθότερα) ως προς συμπληρωματικά φυσικά μεγέθη, όπως θέση-ορμή και ενέργεια-χρόνος με τεράστιες συνέπειες για την φυσική πραγματικότητα. Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg αναφέρει ότι το γινόμενο της τυπικής απόκλισης (βασικός όρος της στατιστικής) της θέσης και της τυπικής απόκλισης της ορμής δεν μπορεί να είναι μικρότερο από μία ελάχιστη τιμή της τάξης των 10^-34. Είναι δηλαδή μία αρχή τυχαιότητας. Do you want to know more? https://www.youtube.com/watch?v=skPI-BhohR8

  • Bielidopoulos

    4 Οκτ 2017

    Πώς όμως ο κβαντικός κόσμος καταφέρνει να προσφέρει τόσο μεγάλες ακρίβειες; Απάντηση: επειδή δεν είναι χαοτικός, αλλά πιθανολογικός. Ένα κβαντικό σύστημα δεν επιδεικνύει εκθετική ευαισθησία στις αρχικές συνθήκες όπως ένα χαοτικό σύστημα. Το χάος είναι χαρακτηριστικό των ντετερμινιστικών συστημάτων, το κβαντικό σύστημα είναι πιθανολογικό, όχι ντετερμινιστικό. Το πού τελειώνει το χάος και αρχίζει η κβαντική αβεβαιότητα και το πως χαοτικά συστήματα μπορούν να προσομοιαστούν με κβαντομηχανικούς όρους είναι θέματα που μελετά μια σχετικά νέα επιστήμη, το κβαντικό χάος. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_chaos

  • Bielidopoulos

    4 Οκτ 2017

    Τα ατομικά ρολόγια λειτουργούν με βάση τη συχνότητα μετάβασης ηλεκτρονίων στα άτομα από τη μία ενεργειακή στάθμη στην άλλη, για αυτό λέγονται ατομικά ρολόγια. Δύο παράγοντες υπεισέρχονται στην ακρίβειά τους και προφανώς έξηγούν και τις μικροδιαφορές στη μέτρηση του χρόνου μεταξύ διαφορετικών ατομικών ρολογιών: τη θερμοκρασία που διατηρούνται τα άτομα, όσο μικρότερη τόσο καλύτερα. Και δεύτερον τη συχνότητα μετάβασης και το εύρος μετάβασης, όσο μεγαλύτερη η συχνότητα και όσο μικρότερο το εύρος τόσο καλύτερα (μεγαλύτερη ακρίβεια). Για το μέλλον έρχονται τα κβαντικά ρολόγια που αποκλίνουν κατά ένα δευτερόλεπτο σε δισεκατομμύρια χρόνια αντί εκατομμύρια χρόνια των ατομικών ρολογιών. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_clock

  • Bielidopoulos

    4 Οκτ 2017

    http://news.in.gr/science-technology/article/?aid=1500122196