Μετρώντας το χρόνο με ακρίβεια

Μετρώντας το χρόνο με ακρίβεια

Το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο και γιατί χρειάζεται τόσο μεγάλη ακρίβεια στη μέτρηση του χρόνου

Το πιο ακριβές ρολόι κεσίου στο Μπόλντερ του Κολοράντο (ΗΠΑ). Στη βάση του κατακόρυφου θαλάμου κενού ύψους 2 μέτρων, άτομα κεσίου ψύχονται και ωθούνται προς τα πάνω από διασταυρούμενες ακτίνες λέιζερ. Ο θάλαμος κενού έχει διάμετρο 2,5 εκατοστών και περιβάλλεται από μαγνητικό πεδίο

Για αιώνες η Γη ήταν ο χρονομέτρης μας. Η ημέρα χωριζόταν σε ώρες, λεπτά και δευτερόλεπτα με βάση την περιστροφή της Γης και γι' αυτό είχε ανατεθεί από τα κράτη η ευθύνη της μέτρησης του χρόνου στα αστεροσκοπεία, όπως αυτό του Γκρίνουιτς στην Αγγλία. Μέχρι περίπου τα μέσα του 20ού αιώνα, τα εκκρεμή ρολόγια ρυθμίζονταν με βάση τον αστρονομικό χρόνο. Καθώς, όμως, τα ρολόγια γίνονταν όλο και πιο ακριβή, άρχισαν να φανερώνουν τις «παραξενιές» του πλανήτη μας. Η συνισταμένη κίνηση της Γης είναι το αποτέλεσμα πολλών επιμέρους κινήσεων που επηρεάζουν και την περιστροφή γύρω από τον εαυτό της. Ετσι στις δεκαετίες του 1940 και του 1950 η Γη παρέδωσε το ρόλο του χρονομέτρη αρχικά στα εκκρεμή, μετά στα ρολόγια με κρύσταλλο χαλαζία και τέλος στα ατομικά ρολόγια.

Το άτομο έγινε το μέτρο του χρόνου. Αντί σαν υποδιαίρεση του χρόνου περιστροφής της Γης, το δευτερόλεπτο ορίστηκε πια σαν συγκεκριμένος αριθμός περιόδων της ακτινοβολίας που εκπέμπει το άτομο του στοιχείου κέσιο κατά την ενεργειακή του μετάπτωση. Σε αντίθεση με τη συχνότητα ταλάντωσης του εκκρεμούς, η ταλάντωση της ακτινοβολίας που προέρχεται από τη μετάπτωση των ενεργειακών καταστάσεων των ηλεκτρονίων των ατόμων (ατομική συχνότητα) είναι σταθερή παντού και πάντοτε. Το 1967 το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών, που εδρεύει στο Παρίσι, όρισε το δευτερόλεπτο σαν 9.192.631.770 ταλαντώσεις της ακτινοβολίας από την ενεργειακή μετάπτωση του ατόμου του κεσίου 133.

Απίστευτη ακρίβεια

Στο Μπόλντερ του Κολοράντο, στα εργαστήρια του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST), βρίσκεται το ακριβέστερο ρολόι κεσίου (βλ. φωτογραφία), διάκριση που μοιράζεται με μια αντίστοιχη συσκευή στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών. Αν και η χειροποίητη όψη του δεν το κολακεύει, το ρολόι αυτό έχει ακρίβεια 0,0000000000000015 δευτερολέπτων! Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσε θεωρητικά να λειτουργήσει επί 20 εκατομμύρια χρόνια χωρίς να χάσει (ή να κερδίσει) ούτε ένα δευτερόλεπτο!

Η κατά ένα δευτερόλεπτο λάθος ώρα δε φαίνεται να έχει μεγάλη σημασία στην καθημερινή μας ζωή. Τα πράγματα όμως δεν είναι καθόλου έτσι σε επίπεδο κοινωνίας. Η σύγχρονη βιομηχανία και κατ' επέκταση η οικονομία στηρίζεται στην ικανότητά μας να μετράμε με μεγάλη ακρίβεια το χρόνο. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού (GPS), που για να υπολογίσει την ακριβή θέση, απαιτεί ακριβή γνώση του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσουν στο συγκεκριμένο σημείο τα σήματα των ειδικών δορυφόρων GPS.

Ο χρόνος είναι χρήμα...

Κι αν κάποιος μπορεί να ζήσει χωρίς το GPS, σίγουρα τον ενδιαφέρουν περισσότερο τα δίκτυα μηχανών και συστημάτων (δορυφόρων, κόμβων Internet, δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, τηλεπικοινωνιών κτλ.), που ανέπτυξε η ανθρωπότητα κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα. Για να πραγματοποιήσουν τα δίκτυα αυτά τις συντονισμένες ενέργειες που απαιτούνται, πρέπει να συμφωνούν με ακρίβεια στην ώρα.

Ακόμα κι ένας προσωρινός αποσυγχρονισμός των ρολογιών στον 21ο αιώνα θα έκανε αισθητή την εμφάνισή του. Ξαφνικά, μέσα σε μια στιγμή θα νιώθαμε πόσο οι ζωές μας επηρεάζονται από τη συμφωνία μας για το μικρότερο μέρος ενός δευτερολέπτου. Ο χρόνος δεν είναι πια απλά η τέταρτη διάσταση του σύμπαντος. Παίζει καθοριστικό ρόλο στη σύγχρονη οικονομία (καπιταλιστική ή σοσιαλιστική). Γι' αυτό, η ακριβής μέτρηση και διανομή του (παγκόσμιος συγχρονισμός των ρολογιών) είναι αντικείμενο λεπτομερών διεθνών συμφωνιών και της Συνθήκης για το Μέτρο, που ισχύει από το 1875.

Ο παγκόσμιος χρονομέτρης

Εκείνο που έχει σημασία στη διεθνή χρονομέτρηση δεν είναι ένα και μοναδικό εξαιρετικά ακριβές ρολόι, αλλά ένα παγκόσμιο δίκτυο ρολογιών. Ο ονομαζόμενος Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος, βάσει του οποίου ρυθμίζονται όλα τα ρολόγια των κρατών στον κόσμο, εξαρτάται όχι μόνο από την ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου, αλλά εξίσου και από την ακρίβεια σύγκρισης των χρόνων που δίνουν τα κέντρα μέτρησης του χρόνου σε όλο τον κόσμο. «Αν κοιτάξεις ένα ρολόι», λέει ο Ντον Σάλιβαν του Τμήματος Χρόνου και Συχνοτήτων του NIST, «δεν ξέρεις αν πηγαίνει καλά ή όχι. Αν έχεις δύο ρολόγια και δε συμφωνούν και πάλι δεν ξέρεις ποιο είναι σωστό». Με τρία ρολόγια μπορείς να απορρίψεις το ένα που απέχει περισσότερο από τα άλλα δύο και να υπολογίσεις το χρόνο με βάση κάποιον αλγόριθμο που θα λαμβάνει υπόψη την ακρίβεια και τη σταθερότητα - βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη - των δύο «σωστών» ρολογιών.

Ετσι, στο Μπόλντερ, το ρολόι πίδακα κεσίου χρησιμοποιείται σαν μέτρο σύγκρισης για τη «ρύθμιση» άλλων ρολογιών μικρότερης ακρίβειας, αλλά πιο σταθερών σε μακρές περιόδους λειτουργίας, όπως είναι τα μέιζερ (μετρούν συχνότητες του υδρογόνου). Από την ώρα που δείχνουν τα μέιζερ, την ώρα που δείχνει μια ομάδα ρολογιών κεσίου μικρότερης ακρίβειας, την ώρα του ρολογιού πίδακα κεσίου και την ώρα του προκατόχου του, προκύπτει η ώρα που δίνει το Μπόλντερ στην έδρα του παγκόσμιου συστήματος στο Παρίσι. Σε συνδυασμό με την ώρα που δίνουν άλλα 220 ρολόγια, διάσπαρτα σε ολόκληρη την υδρόγειο, προκύπτει ο Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος. Ο συνδυασμός των χρόνων αυτών γίνεται μέσω του αμερικανικού συστήματος GPS και του αντίστοιχου ρωσικού συστήματος παγκόσμιου εντοπισμού.

Την άλλη φορά που θα κοιτάξουμε το ρολόι μας, ίσως να δώσουμε μεγαλύτερη προσοχή στα δευτερόλεπτα. Κάποιοι τα μετράνε καθημερινά εκατομμυριοστό το εκατομμυριοστό, για να μπορούν να λειτουργούν σωστά πολλά από τα τεχνολογικά επιτεύγματα που χρησιμοποιούμε.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Discover»

    

NIST

ΦΑΣΗ 4: Τα άτομα κεσίου που διεγέρθηκαν στο δακτύλιο μικροκυμάτων εκπέμπουν φως όταν τα χτυπήσει μια κατάλληλη ακτίνα λέιζερ. Αυτός ο φθορισμός μετριέται από έναν ανιχνευτή. Η όλη διεργασία επαναλαμβάνεται μέχρι να προσδιοριστεί ο μέγιστος φθορισμός των ατόμων κεσίου. Αυτό το σημείο προσδιορίζει τη συχνότητα φυσικού συντονισμού του κεσίου, που χρησιμοποιείται για τον ορισμό του δευτερολέπτου.