تعریفی که دائما در حال تغییر است
یک ثانیه واقعا چقدر طول می‌کشد؟
شاید جالب باشد بدانید که طول یک ثانیه، به نحوه اندازه‌گیری آن بستگی دارد.
اول صبح؛ یک روز ۲۴ ساعت است و یک ساعت ۶۰ دقیقه. هر یک دقیقه هم ۶۰ ثانیه دارد. پس طبیعتا یک ثانیه معادل (۶۰*۶۰*۲۴) /۱ یا ۸۶۴۰۰/۱ یک روز است. درست است؟ اما مشخص شده که تعریف زمان به همین سادگی‌ها نیست.
ما تا پیش از این عادت داشتیم که ثانیه را به‌عنوان یک بازه ثابت زمانی در نظر بگیریم. اما این واحد کوچک در طول قرن‌ها چندین بار دستخوش تغییراتی شده.
پیتر ویبرلی، دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی فیزیک بریتانیا در این باره گفته: «ثانیه در اصل براساس طول روز تعیین می‌شد. مردم عبور خورشید را از بالای سر خود مشاهده کرده و با استفاده از ساعت‌های آفتابی شروع به اندازه‌گیری حرکت آن نمودند. ابزارهایی این چنینی، زمان را مستقیما براساس موقعیت خورشید در آسمان تعیین می‌کنند که به آن زمان خورشیدی ظاهری می‌گویند.»
ایرادات وارد بر ساعت آفتابی
در هر حال ساعت‌های آفتابی چندین ایراد دارند. علاوه بر مشکل اصلی که ناتوانی در خواندن ساعت در زمانی که خورشید قابل مشاهده نیست، تکیه و وابستگی بر چرخش روزانه زمین (که تحت‌عنوان زمان نجومی شناخته می‌شود) نیز به طرز حیرت‌آوری غیر دقیق است.
ویبرلی ادامه داد: «چرخش زمین به شکل دقیقی ثابت نیست. در طول زمان، سرعت چرخش کره زمین افزایش یافته یا کند می‌شود و تغییرات فصلی و دیگر تغییرات غیرقابل پیش‌بینی بزرگ از دهه به دهه، به دلیل تغییرات در هسته مذاب زمین و یا کاهش طولانی مدت ایجاد شده در اثر جزر و مد و حرکت موج‌ها به جلو و عقب نیز بر آن تاثیرگذار است.»
پس اگر طول روز تا این حد غیرقابل اعتماد و متغیر باشد، ما چطور می‌توانیم زمان را به شکل دقیقی اندازه‌گیری کنیم؟
ساخت اولین ساعت‌ها
در قرن شانزدهم میلادی، مردم برای حل این مشکل به سراغ راهکارهای تکنولوژیک رفتند و اولین ساعت‌های مکانیکی قابل تشخیص ساخته شدند.
سامیت سارکار، فیزیک‌دان دانشگاه آمستردام در این رابطه گفته: «ایده اصلی ساخت ساعت، از حفظ زمان با پیروی از موقعیت خورشید تغییر کرد و به جای آن افراد به سراغ ساخت یک نوسانگر و تعیین تعداد ثابتی از نوسانات معادل یک ثانیه رفتند.»
اولین نمونه‌های ساعت‌های مکانیکی، ساعت‌های آونگی بودند که در فرکانس مشخصی معادل یک ثانیه نجومی در طول یک سال تیک‌تاک می‌کردند. در سده‌های بعدی، دانشمندان برروی ساخت نوسانگرهای بهتر و دقیق‌تر کار کرده و سیستم‌های زمان‌سنج بی‌شمار دیگری از جمله فنرها و چرخ‌دنده‌ها را توسعه دادند.
حدود سال ۱۹۴۰ بود که ساعت‌های کریستال کوارتز تبدیل به استاندارد طلایی شدند. سارکار در این باره گفت: «اگر ولتاژی را به یک قطعه کوارتز که با دقت شکل داده شده است اعمال کنید، شروع به ارتعاش کرده و شما می‌توانید فرکانس نوسان آن را با دقت تنظیم نمائید.» گرچه میزان دقت این ساعت برای استفاده عمومی مناسب است، اما برای کاربردهای فنی مثل اینترنت، سیستم‌های GPS یا مطالعه تحقیقات بنیادی خوب و دقیق نخواهد بود.
از آنجا که هر قطعه کوارتز منحصر به فرد است و بنا به شرایط فیزیکی مثل فشار و دما، طنین متفاوتی دارد، مشکلاتی در این راستا ایجاد شد. برای آنکه ساعت‌ها واقعا دقیق باشند، باید در مقابل برخی مراجع مستقل و بدون تغییر تنظیم شوند. همین شد که ساعت‌های اتمی ساخته شدند.
ساعت‌های اتمی به چه ترتیب کار می‌کنند؟
ویبرلی در این رابطه گفت: «اتم‌ها رزونانس‌های ثابت و طبیعی دارند. آن‌ها فقط در حالت‌های انرژی خاصی وجود دارند و تنها می‌توانند با جذب یا انتشار میزان ثابتی از انرژی، از یک حالت به حالتی دیگر تغییر کنند. این انرژی با یک فرکانس دقیق مطابقت دارد و در نتیجه می‌توانید از آن فرکانس به عنوان مرجعی برای حفظ زمان بهره ببرید.»
در سال ۱۹۵۵ بود که از اولین ساعت اتمی عملی رونمایی شد. این ساعت تعداد انتقال انرژی ناشی از امواج مایکروویو در اتم‌های سزیم را در طول یک ثانیه نجومی اندازه‌گیری می‌کرد. در سال ۱۹۶۷، جامعه علمی جهانی موافقت کرد که مفهوم «ثانیه» بر مبنای این عدد دوباره تعریف شود و سیستم بین‌المللی واحدها و اندازه‌گیری، حالا یک ثانیه را تحت عنوان مدت زمان ۹.۱۹۲. ۶۳۱.۷۷۰ نوسان انرژی در اتم سزیم تعریف کرده است.
تغییر در تعریف «ثانیه»
از آن زمان تا به امروز، ثانیه نجومی همچنان دستخوش تغییر می‌شود ولی ثانیه اتمی، دقیقا معادل همان ۹.۱۹۲. ۶۳۱.۷۷۰ نوسان باقی مانده است. تغییرات در زمان نجومی در حقیقت بدین معناست که هر چند سال یک بار دانشمندان باید یک ثانیه کبیسه به زمان اضافه کنند تا بتوان کند شدن چرخش زمین را با ساعت اتمی همگام کرد.
طبق گفته ویبرلی، این ثانیه کبیسه در سال ۲۰۳۵ لغو خواهد شد؛ اما دانشمندان و سازمان‌های دولتی هنوز متوجه نشده‌اند که چطور باید این اختلاف کوچک را مدیریت کنند.
اما دانشمندان به این تعریف ثانیه که دقت آن ۱۰ به توان پانزده ثانیه یا یک کوادریلیوم ثانیه است، بسنده نمی‌کنند. تیم‌های تحقیقاتی در سراسر دنیا در حال کار کردن برروی ساعت‌های اتمی نوری دقیق‌تری هستند که از انتقال اتمی ناشی از نورمرئی با انرژی بالا در عناصری مثل استرانسیوم و ایتربیوم بهره برده و این دقت را تا بیش از ۱۰۰ برابر بالا ببرند. در حقیقت دانشمندان در حال بحث در این باره هستند که آیا زمان آن فرا رسیده که با بهره‌گیری از نوسانات ساعت نوری و با استفاده از اشعه فرابنفش و منابع نور مرئی به جای مایکرویو، دوباره ثانیه را تعریف کنند یا خیر. گرچه قبل از هر کاری باید به چند سوال مهم پاسخ داده شود ولی مشخص است که تعریف دقیق ثانیه دائما در معرض تغییر است.