Скільки триває секунда?

У добі 24 години, 60 хвилин у годині та 60 секунд у хвилині — тож, напевно, секунда дорівнює лише 1/(24x60x60), або 1/86400 доби, чи не так? Ну, виявляється, визначити час не так просто.

Ми звикли сприймати секунду як фіксований приріст часу, але ця маленька одиниця змінювалася кілька разів протягом століть.

«Спочатку другий показник базувався на тривалості дня», — сказав Live Science Пітер Вібберлі, старший науковий співробітник Національної фізичної лабораторії Великобританії. «Люди спостерігали, як сонце проходить над головою, і почали вимірювати його рух за допомогою сонячних годинників. Подібні пристрої дають час безпосередньо на основі положення сонця на небі, який називається видимим сонячним часом».

Однак у сонячних годинників є кілька недоліків. Окрім очевидної проблеми неможливості прочитати сонячний годинник, коли сонця не видно, покладатися на добове обертання Землі (також відоме як астрономічний час) є напрочуд неточним.

«Обертання не зовсім постійне», — сказав Вібберлі. «Земля пришвидшується і сповільнюється з часом. Є сезонні коливання, значні непередбачувані коливання від десятиліття до десятиліття через зміни в розплавленому ядрі та довгострокове уповільнення, спричинене рухом припливів назад і вперед».

Отже, як ми можемо точно виміряти час, якщо використання тривалості дня настільки ненадійне?

У 16 столітті люди звернулися до технологічних розв’язання цієї проблеми, і почали з’являтися перші впізнавані механічні годинники.

«Суть створення годинника в основному перейшла від відстеження часу за положенням сонця до створення осцилятора та визначення фіксованої кількості коливань, еквівалентної одній секунді», — Суміт Саркар, фізик з Амстердамського університету. розповів Live Science.

Найпершими механічними зразками були маятникові годинники, які були розроблені для цокання з певною частотою, еквівалентною астрономічній секунді, усередненій протягом року. Протягом наступних кількох сотень років вчені працювали над створенням кращих, точніших осциляторів і розробили безліч інших систем вимірювання часу, включаючи пружини та шестерні.

Приблизно до 1940 року кварцові годинники стали новим золотим стандартом. «Якщо ви прикладете напругу до ретельно сформованого шматка кварцу, він почне вібрувати, і ви зможете дуже точно налаштувати частоту цього коливання», — сказав Саркар. «Але хоча ця точність підходить для загального використання, вона просто недостатня для справді технічних застосувань, таких як Інтернет, системи GPS або вивчення фундаментальних досліджень».

Проблеми виникають через те, що кожен шматок кварцу унікальний і резонує дещо по-різному залежно від фізичних умов, таких як температура та тиск. Щоб бути справді точними, годинники повинні бути налаштовані на певний незалежний, незмінний еталон. Тут на допомогу приходять атомні годинники.

«Атоми мають природний фіксований резонанс. Вони існують лише в певних енергетичних станах і можуть переходити з одного стану в інший лише шляхом поглинання або випромінювання фіксованої кількості енергії», — пояснив Вібберлі. «Ця енергія відповідає точній частоті, тому ви можете використовувати цю частоту як еталон для відліку часу».

Перший практичний атомний годинник, представлений у 1955 році, вимірював кількість цих енергетичних переходів атомів цезію, спричинених мікрохвилями, протягом однієї астрономічної секунди. У 1967 році світове наукове співтовариство погодилося перевизначити секунду відповідно до цього числа, і Міжнародна система одиниць і вимірювань тепер визначає секунду як тривалість 9 192 631 770 енергетичних коливань в атомі цезію.

Відтоді астрономічна секунда продовжувала змінюватися, тоді як атомна секунда залишалася на рівні 9 192 631 770 коливань. Ці варіації астрономічного часу насправді означають, що кожні кілька років вчені повинні додавати високосну секунду, щоб дозволити уповільненому обертанню Землі встигати за атомним часом. Ця високосна секунда буде скасована у 2035 році, але вчені та державні установи ще не придумали, як впоратися з цією крихітною невідповідністю, сказав Уібберлі.

Але вчені не задоволені цим визначенням, яке точне до 10^-15 с або однієї квадрильйонної частки секунди. Дослідницькі групи по всьому світу працюють над ще більш точними оптичними атомними годинниками, які використовують індуковані видимим світлом атомні переходи з вищою енергією в таких елементах, як стронцій та ітербій, щоб підвищити цю точність більш ніж у 100 разів. Насправді вчені обговорюють, чи не настав час знову визначити секунди відповідно до коливань оптичного годинника, використовуючи джерела ультрафіолетового та видимого світла замість мікрохвиль.

Але хоча на кілька важливих питань ще потрібно відповісти, перш ніж це станеться, ясно, що точне визначення секунди може бути змінено.