Από τα ηλιακά στα ατομικά ρολόγια

Άρθρο, Ιανουάριος 2005

Για πολύ μεγάλη ακρίβεια στον προσδιορισμό του χρόνου ήδη χρησιμοποιούμε τις κβαντικές ιδιότητες ατομικών ρολογιών. Αυτές βασίζονται στις ταλαντώσεις ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται κατά τις μεταπτώσεις μεταξύ των ενεργειακών σταθμών ενός ατόμου Καισίου 133. Ο επίσημος διεθνής ορισμός του ενός δευτερολέπτου είναι η διάρκεια 9.192.631.770 τέτοιων ταλαντώσεων.

Το Διεθνές Γραφείο Χρόνου στο Παρίσι χρησιμοποιεί 80 τέτοια ατομικά ρολόγια σε 24 ώρες για να ορίσει τον Συντονισμένο Παγκόσμιο Χρόνο (UTC) με ακρίβεια 1/1000 του δευτερολέπτου. Επειδή ο χρόνος περιστροφής της Γης δεν είναι απολύτως σταθερός αλλά κυμαίνεται λίγο από χρόνο σε χρόνο, προστίθεται κάθε τόσο ένα δευτερόλεπτο στον Παγκόσμιο Χρόνο για να βρίσκεται σε σύμπτωση με τον μέσο χρόνο του Greenwich. Ακριβώς όπως προσθέτουμε κάθε 4 χρόνια μια ημέρα στη διάρκεια του έτους για να εξισορροπήσουμε το γεγονός ότι η διάρκεια του έτους δεν είναι ακριβώς 365 ημέρες.

Προσθέσαμε ένα ολόκληρο δευτερόλεπτο μόλις μπήκε το 2006 για να έχουμε μια ακριβή χρονομέτρηση που είναι κρίσιμη για το Παγκόσμιο Σύστημα Εύρεσης Θέσης (GPS) το οποίο βασίζεται στους δορυφόρους και χρησιμεύει για να βρίσκουν με ακρίβεια τα πλοία τις συντεταγμένες τους.

Αλλά πώς μετρούσαν τον χρόνο οι άνθρωποι από το παρελθόν έως σήμερα;

1. Η μέτρηση του χρόνου από πολύ παλιά βασιζόταν πάντα στη μετακίνηση του ήλιου και της γης. Οι αρχαίοι Αιγύπτιοι είχαν ηλιακά ρολόγια που διαιρούσαν τη  διάρκεια της ημέρας σε 10 τμήματα συν το σουρούπωμα και την αυγή. Η περιστροφή της γης, κατά την κίνηση της γύρω από τον ήλιο, με διάρκεια μιας μέρας προς την ίδια θέση στον ουρανό την επόμενη μέρα, αποτέλεσε τη βάση της μέτρησης του χρόνου από τότε. Αυτός είναι και ο Μέσος Χρόνος Γκρήνουιτς (GMT), που η θέση του σαν καθολικό στάνταρτ για τον κόσμο βρίσκεται υπό απειλή. Αλλά ο καθένας μας συμφωνεί ότι 24 ώρες είναι ίσες με μια ημέρα.

2. Οι Έλληνες ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποίησαν υδάτινα ρολόγια που ρυθμίζονταν με μία σταθερή πτώση σταγόνων από ένα πέτρινο δοχείο ψηλά. Η ίδια αρχή τροφοδότησε και το πρώτο γνωστό μηχανικό ρολόι, το οποίο χτίστηκε σε έναν πύργο ύψους 10  μέτρων από τον αστρονόμο και εφευρέτη Su Song στην Κίνα το 1088. Μια σφαίρα μέσα στον πύργο περιστρεφόταν μία φορά την ημέρα

3. Το επόμενο βήμα ήταν να χρησιμοποιηθεί ένα σύστημα σωμάτων που έπεφταν για να οδηγήσουν ένα μηχανισμό, αντί του νερού. Με αυτό τον μηχανισμό μπόρεσαν να κατασκευαστούν τα μεγάλα δημόσια ρολόγια σε πύργους μέσα στις πόλεις σε όλον τον κόσμο, αρχίζοντας από την Ιταλία στον 14ο αιώνα. Ο βασιλικός αστρονόμος John  Flamstead υπολόγισε την περιστροφή της γης στον 17ο αιώνα χρησιμοποιώντας τα πρώτα ακριβή ρολόγια.

4. Η ανάγκη που είχαν οι ναυτικοί να ξέρουν που ήταν, τους οδήγησε να συμφωνήσουν ότι η θέση του ήλιου το μεσημέρι στο Γκρήνουιτς του Λονδίνο, πρέπει να θεωρηθεί σαν 0 μοίρες γεωγραφικού μήκους. Αυτό απαιτούσε ένα ρολόι που να έχει ακρίβεια κατά τη διάρκεια του ταξιδιού σε οποιαδήποτε θερμοκρασία και ανεξάρτητα από την κίνηση. Αυτό το ρολόι εφευρέθηκε από τον John Harrison.

5. Η ιδέα ότι ο χρόνος θα μπορούσε να συγχρονιστεί σε διαφορετικά μέρη είναι σχετικά πρόσφατη. Τον 19ο αιώνα στη Βρετανία ως μεσημέρι όριζαν την χρονική στιγμή που ο ήλιος βρίσκεται ακριβώς πάνω από το κεφάλι μας, και τη στιγμή εκείνη χτυπούσαν τα ρολόγια στις γειτονικές εκκλησίες. Μέχρι τον ερχομό των σιδηροδρόμων δεν πείραζε που το μεσημέρι στο Λονδίνο ήταν 11.44 π.μ. στο Πλύμουθ. Αλλά το 1852 ιδρύθηκε ένα κύριο ρολόι για να στέλνει τους ηλεκτρικούς παλμούς από το Γκρήνουιτς σε ολόκληρη την Αγγλία. Παρά την όποια τοπική αντίθεση, σύντομα όλα τα βρετανικά δημόσια ρολόγια συντονίστηκαν από αυτό το ρολόι.

6. Τον Οκτώβριο του 1884, εκπρόσωποι από 25 χώρες συναντήθηκαν στην Ουάσιγκτον για να αποφασίσουν σχετικά με ένα σύστημα χρονικών ζωνών για ολόκληρο τον κόσμο. Επειδή τα περισσότερα από τα σκάφη ήδη χρησιμοποιούσαν το Γκρήνουιτς ως 0 μοίρες του γεωγραφικού μήκους, αυτό τελικά δηλώθηκε σαν ο πρώτος μεσημβρινός

7. Η θέση του Γκρήνουιτς ως κέντρο του χρόνου απειλήθηκε αρχικά όταν φτιάχτηκαν τα ρολόγια χαλαζία στη δεκαετία του '20. Μετρούν τα δευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας τη δόνηση του ηλεκτρισμού μέσα στους κρυστάλλους, και δεν έχουν καμία σχέση με τον ήλιο. Φτιάχτηκαν καλά και φτηνά ρολόγια, αλλά ξεπεράστηκαν σύντομα στην ακρίβεια

8. Ο χρόνος άλλαξε για πάντα όταν φτιάχτηκε το πρώτο ατομικό ρολόι στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής στο Middlesex το 1955, με τέτοια ακρίβεια που έχανε μόνο ένα δευτερόλεπτο κάθε 300 χρόνια, καθιερώνοντας νέα στάνταρτ, πολύ πιο αξιόπιστα από την περιστροφή της γης

9. Το σύγχρονο ατομικό ρολόι χρησιμοποιεί το αέριο καίσιο-133 μέσα σε ένα κενό. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για να ωθήσουν τα άτομα μαζί σε μια σφαίρα, η οποία τα ψύχει. Η σφαίρα εκτοξεύεται έπειτα ένα μέτρο προς τα πάνω με τη βοήθεια μαγνητών και σε ένα θάλαμο μικροκυμάτων, η οποία θερμαίνει τα άτομα. Όποια έχουν απορροφήσει την ενέργεια βγάζουν ακτινοβολία καθώς πέφτουν προς τα κάτω, από όπου ξεκίνησαν, περνώντας από έναν ανιχνευτή

10. Κάθε άτομο είναι σαν ένα μίνι ηλιακό σύστημα, με τα ηλεκτρόνια να είναι σε τροχιά γύρω έναν κεντρικό πυρήνα. Καθώς τα ηλεκτρόνια απορροφούν ή απελευθερώνουν ενέργεια, αλλάζουν ανάλογα διαφορετικές τροχιές. Αυτή η διαδικασία παράγει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία πάλλεται σε μια συχνότητα ακριβείας. Η καταγραφή αυτού του παλμού (της ταλάντωσης) από τον ανιχνευτή στο ρολόι δίνει στους επιστήμονες ένα μέτρο του χρόνου, με ακρίβεια ενός δευτερολέπτου κάθε 60 εκατομμύρια χρόνια: ένα δευτερόλεπτο είναι ίσο με 9.192.631.770 κύκλους της ακτινοβολίας από ένα άτομο καισίου-133.

Η ανάγκη να συμφιλιωθούν αυτά τα νέα στάνταρτ του χρόνου με τα παλαιά στάνταρτ οδήγησε το 2006 να προσθέσουμε ένα δευτερόλεπτο. Αυτό ξεκίνησε το 1972, που ο παγκόσμιος χρόνος και η διεθνής ατομική ώρα έχουν συγχρονιστεί με την προσθήκη επιπλέον - περιστασιακά - δευτερολέπτων (το γνωστό πήδημα). Έχουν μέχρι τώρα προστεθεί 22 δευτερόλεπτα από το 1972, ενώ το προηγούμενο έγινε το 1999.