Sposoby pomiaru czasu - definicja sekundy

Sekunda i próba jej dokładnego zdefiniowania.

Problem określania czasu towarzyszy nam już od dawna. Pięć tysięcy lat temu plemiona epoki kamiennej wzniosły w południowej Anglii Stonehenge, wielkie obserwatorium astronomiczne do sygnalizowania rozpoczynającego się roku. Dzisiejsze zegary atomowe wskazują czas z dokładnością do jednej bilionowej sekundy.
Z naukowego punktu widzenia zadanie pomiary czasu sprowadza się do bardzo prostej czynności: znalezienia w przyrodzie zjawiska powtarzającego się regularnie i użycie go w charakterze zegara. Powszechnie uważa się, że pierwszym takim zjawiskiem był ruch Ziemi- jej krążenie po orbicie wokół słońca (co określa długość roku) i jej obrót wokół własnej osi (co definiuje długość doby). Następnie miejsce Ziemi zajęły ruchy wahadła i zegary ery kolei żelaznej, które wskazywały czas z dokładnością do ułamka sekundy na rok. Jeszcze większą dokładność pomiaru czasu umożliwiły w ostatnim stuleciu wibracje kryształów kwarcu.
Postęp w jakości wzorców- od ruchów Ziemi do wibracji kwarcu- ilustruje ważną prawdę o czasie. Zdarzenia, wydarzające się według starego wzorca powtarzane i regularne, często po szczególnym zbadaniu za pomocą drugiego- lepszego wzorca- okazują się nierówne i nieregularne. Obrót Ziemi jest tak naprawdę bardzo niedokładny. Gdy wieje wiatr zachodni, ziemia cofa się na wschód, co może w rezultacie zmienić długość doby o dziesiątki tysięcznych sekundy. Również pływy i trzęsienia ziemi mogą oddziaływyać na długość doby.
Jednym ze sposobów wyznaczania dokładności wzorca czasu jest określenie miejsca dziesiętnego, na którym nie można już mieć pewności co do dokładności pomiaru. Na przykład zegarek spóźniający się o jedną sekundę na rok byłby niepewny na siódmym miejscu po przecinku. Przy tej metodzie liczenia najlepszym zegarom wahadłowym można ufać do szóstego miejsca po przecinku, a najlepszym kwarcowym do około dziewiątego miejsca, a nawet taka dokładność pomiaru nie zbliża się do dokładności wymaganej przez współczesną technikę.
Pod koniec lat czterdziestych fizyk Norman Ramsey ( późniejszy laureat Nagrody Nobla ) wymyślił bardzo dokładny sposób pomiarów obrotów elektronów w atomie. W wyniku tego powstał zegar atomowy, używany jako wzór na całym świecie po dziś dzień. W zegarach tych wiązki atomów przechodzą przez szereg wnęk rezonansowych, pozwalając na niezwykle dokładne pomiary częstotliwości związanych z ruchem elektronów w atomie. Od 1967 roku sekunda definiowana jest jako czas potrzebny na wykonanie 9 192 631 770 powtórzeń określonego cyklu w atomie cezu. Pożytek z użycia elektronu jako wzorca czasu jest oczywisty. Na elektrony w normalnych warunkach nie działają wiatry, ani przepływy. Każdy elektron w atomie cezu we wszechświecie zachowuje się tak samo, tak więc wzorzec cezowy jest zarówno uniwersalny jak i odtwarzalny. Zegary atomowe są dokładne do trzynastu miejsc po przecinku.
Zegary atomowe ustalające czas w Stanach Zjednoczonych znajdują się w Naval Observatory ( obserwatorium Marynarki Wojennej ) w Waszyngtonie, a zegary wtórne w filiach Natonal Institutes of Standarts and Technology w stanach Maryland i Kolorado. Zegary te są częścią sieci zegarów atomowych w urzędach normalizacyjnych na całym świecie. Śledzą one współnienierównomierności obrotu Ziemi. Co jakiś czas " głosują " nad decyzją, czy obrót ziemi spowolnił się na tyle, aby można było wprowadzić "sekundę przestępną" . Zdarza się to mniej więcej raz do roku, a ostatni raz została wprowadzona 30 czerwca 1997 roku.
Można pomyśleć, że trzynaście miejsc po przecinku powinno dawać wystarczającą dokładność, lecz w rzeczywistości jest już w toku kilka projektów poprawy dokładności, Jeden z nich wykorzystuje technikę umożliwiającą złapanie pojedynczych atomów ( lub niewielkich ich grup ) i izolowanie ich od otoczenia przez długi czas ( rekord wynosi kilka miesięcy ). Po wyizolowaniu w ten sposób grupy atomów, lasery mogą spowolnić ich ruch w takim stopniu, by miały one mniejszy wpływ na światło, które emitują lub absorbują. Urządzenia takie osiągnęły dokładność trzynastu miejsc po przecinku i powinny osiągnąć piętnaście.
Sugerowano także możliwość użycia do ustanowienia wzorca czasu fal radiowych emitowanych przez martwe gwiazdy zwane pulsarami. Pulsary obracają się bardzo szybko i pod pewnym kątem do swojej osi rotacji emitują wiązki promieniowania radiowego. Wnioskodawcy utrzymują, że potencjalna dokładność wyniesie piętnaście miejsc po przecinku, lecz do tej pozy nic w tym kierunku nie zrobiono.
Najważniejszym zastosowaniem dokładnego pomiaru czasu jest Globalny System Lokalizacji, składający się z wielu satelitów wyposażonych w zegary atomowe. Odbierając sygnały przesłane przez co najmniej cztery satelity, oraz znając dokładny czas wysłania sygnałów, obserwator może zlokalizować swoją pozycję na Ziemi z dokładnością do kilkudziesięciu centymetrów.
Przedstawione przeze mnie informacje dowodzą, że :
 Jest wiele dziedzin w których dokładny pomiar czasu jest bardzo ważny.
 Istnieje wiele metod ustalenia wzorca czasu

Dochodzę zatem do wniosku, że ludzie nadal będą poszukiwać co raz to dokładniejszego sposobu pomiaru czasu, zarówno z powodów naukowych jak i z czystej ciekawości.
Choć powody naukowe będą na pewno głównym motorem postępu.