Технологија: Суперсатови који дефинишу тачно време - у наносекунду

Гледам у знак упозорења у лабораторији у Лондону.

„Не дирајте мејзер", гласи он.

Закачен је за високу црну кутију, на точкићима, постављену у заштитно челично кућиште.

Испоставља се да је то прилично важна кутија и упозорење је ту с разлогом.

Није опасан, али ако бих чачкао уређај, могао бих да пореметим сам проток времена.

То је један од неколицине таквих уређаја који се држе у Националној лабораторији за физику у југозападном Лондону и они помажу да свет поседује прецизан заједнички осећај за секунде, минуте и сате.

Зову се хидрогенски мејзери и екстремно су важни атомски сатови.

Заједно са око 400 других, постављених свуда на планети, они помажу свету да дефинише колико је сати, у овом тренутку, све до наносекунде.

Без тих сатова - и људи, технологије и поступака који их прате - савремени свет би полако утонуо у хаос.

Због многих области пословања и технологија без којих не можемо да живимо, од сателитске навигације до мобилних телефона, време је „скривена алатка".

Како смо, дакле, уопште стигли до овог заједничког система мерења времена, како он увек остаје прецизан и како би могао да се промени у будућности?

Одговори подразумевају завиривање иза лица сата и истраживање саме суштине времена.

Ако закопате мало дубље, врло брзо ћете открити да је време више људски конструкт него што на први поглед изгледа.

Није увек свако на свету пратио исто време.

Вековима је то било немогуће и време је могло да се дефинише само локално, према вама најближем сату.

На неком месту је било подне, док је мало даље било 12:15.

Још у 19. веку, САД су функционисале према стотинама различитих временских стандарда, које су дефинисали градови и локални управници железничких станица.

Део разлога за то био је што није постојао одржив начин да се синхронизује сваки сат у држави, а камоли на другом крају Земље.

Током највећег дела људске историје, то и није било толико важно: људи су радили кад су морали, нису путовали далеко, а ако су желели да знају колико је сати, могли су да сазнају бацивши поглед на најближи сунчани часовник, градску сахат-кулу или слушајући црквена звона или позиве на молитву.

Међутим, како се индустријско доба захуктало, постало је јасно да то тако више неће моћи.

У неким случајевима, било је чак и погубно.

На пример, у Новој Енглеској средином 19. века, у директном судару два воза страдало је 14 људи, зато што је један од кондуктера користио „неквалитетан позајмљени часовник", који није био усклађен са колегиним сатом.

Да би радиле ефикасно, привреде у развоју морале су да имају бољи заједнички осећај за тачно време: да би фабрике могле да ангажују радну снагу у исто време, да би возови полазили и стизали кад треба и да би банкари могли да ставе временски жиг на финансијске трансакције.

Као што је историчар Луис Мамфорд једном приметио, стога је сат, а не парна машина, био најважнија машина индустријске револуције.

Парне машине су можда покретале фабрике и транспорт, али нису могле да синхронизују људе и њихове активности.

Неко време, главни арбитар овог новог заједничког времена био је Гринич у Лондону.

Тамошњи напредни механички сатови показивали су „право" време: Гриничко средње време (ГМТ).

Мерачи времена су 1833. године додали куглу на јарбол Краљевске гриничке опсерваторије у Лондону.

Она би пала у 13:00 часова сваког дана како би трговци, фабрике и банке могле да подесе своје сатове који су журили или каснили.

Неколико година касније, ГМТ се делио телеграмом широм земље као „железничко време" - осигуравши да је читава британска железничка мрежа усклађена.

Гринички временски сигнал је 1880-тих слат преко Атлантика подморничким телеграмом у Харвард у Кембриџу, у Масачусетсу.

И на Међународној конференцији о меридијанима у Вашингтону више од 25 земаља одлучило је да ГМТ постане међународни временски стандард.

Пип, пип

Почетком 20. века, ББЦ је почео да игра улогу у ширењу прецизног заједничког времена.

Кад је корпорација почела да емитује радио програм широм света, он је укључивао низ „пипова" сваког пуног сата, који је у то време произвођен у Гриничу.

Данас ове сигнале прави ББЦ, а има их укупно шест, са пуним сатом који се обележава последњим, најдужим тоном.

И неке друге земље их имају: у Финској су познати, на пример, као „пипит".

Нажалост, међутим, дигитални радио је смањио њихову тачност за подешавање вашег часовника, зато што конверзија сигнала ствара благо кашњење.

Како су деценије пролазиле, међутим, постало је јасно да је потребан бољи начин за синхронизовање времена.

Мерачи времена из Гринича можда су могли да се похвале да одржавају неке од најтачнијих часовника на свету, али су прорачуне заснивали на непоузданој основи: времену које је Земљи потребно да направи пун круг.

Да би показивали тачно време, сви сатови захтевају периодични, репетитивни процес -било да су то клатно које се њише или електронске осцилације кварц кристала.

Сатови у Гриничу се калибрирају уз помоћ времена потребног да Сунце дође у исти положај на небу после једног дана.

Њихово клатно је стога била сама Земља, која се окретала наизглед поузданом брзином. (То је важило и за Универзално време, које је заменило ГМТ 1928. године)

Међутим, у Двадесетом веку научници су схватили да се брзина ротације наше планете током година убрзава и успорава, због гравитационе силе Месеца, Сунца и других планета, геолошких промена у језгру и његовом омотачу, па чак и океанских и климатских промена.

Године 1900, она се окретала у просеку готово четири милисекунде спорије него што је то чинила на преласку у 21. век.

И док су најбољи мерачи времена на свету могли да тврде да су тачнији од просечног ручног или зидног часовника, и они сами су грешили у вези са „правим" временом.

Атомско време

Негде у исто време, квантни физичари сугерисали су да атоми можда садрже много бољи начин за показивање времена од Земљине ротације.

Ако се примени конкретна фреквенција електромагнетног зрачења на атом, његов ниво енергије се мења.

Можете да искористите електронски бројач да пратите те промене.

Као клатно које се њише, то чини стабилан периодични процес на основу ког може да се израчуна проток времена.

То ће се на крају показати основом за „атомски сат".

Атомски сатови показују време много тачније од било ког другог часовника заснованог на Земљиној ротацији - толико тачно, заправо, да кад бисмо у потпуности заснивали наш свет на њима, време би се на крају одвојило од дана и ноћи и Сунце би излазило у 18:00 часова предвече.

Због тога светски мерачи времена повремено морају да додају преступне секунде.

Хидрогенски мејзери у НПЛ-у у Лондону неки су од најважнијих атомских сатова на свету.

Има их још неколико стотина на планети, а њима управљају национални метролошки институти и они су нови арбитри времена за све нас.

Али није све тако једноставно као обично очитавање времена са њих: ниједан атомски сат, наиме, није савршен, због ствари као што су локалне гравитационе силе или разлике између њихове електронике.

Метролози због тога морају да испеглају те ситне несавршености.

Ево како то функционише: лабораторија као што је НПЛ бележи и рафинише временске информације из своје банке атомских сатова - хидрогенских мејзера - примењујући повремену корекцију ако изгледа да се сат удаљава (метролози ово зову „управљањем" и раде то користећи засебну опрему којом се дефинише дужина секунде… али вратићемо се томе касније.)

НПЛ потом то шаље Међународном заводу за тежине и мерења (БИПМ) у Паризу.

Мерачи времена из БИПМ-а израчунавају просек свих тих вредности, дајући посебну предност сатовима који боље раде.

Уносе се додатна побољшања и на крају овај процес рађа оно што се назива Међународним атомским временом (ТАИ - Temps Atomique International).

Једном месечно, БИПМ шаље ТАИ у екстремно важном документу званом „Циркулар-Т".

Овај документ омогућава националним лабораторијама да поново ускладе сатове и, кључно, испоруче тачно време делатностима којима је то неопходно.

У Великој Британији, то је НПЛ-ов посао, али у САД он припада Националном институту за стандарде и технологију, а има их још много више широм света.

Циркулар-Т практично чини савремени еквивалент кугле која пада у Гриничу.

И док већина људи не мора да зна тачно време у наносекунду, многе пословне делатности и технологије морају.

„Сателитска навигација је вероватно једна од најприсутнијих потреба за великом тачношћу, али има их других", каже метролог Партик Гил из НПЛ-а.

„Синхронизација комуникације, дистрибуција енергије и финансијско трговање захтевају изузетно прецизно време."

Нове технологије такође доносе додатне захтеве: 5Г мрежа је заснована на прецизној синхронизацији, на пример, баш као и навигациона технологија која наводи аутоматска возила.

Ствар је у томе, међутим, да је ТАИ и даље конструкт хипотетичног „тачног" времена на сатовима: мерење којег свет просто пристаје да се држи.

Не ради се само о томе да је то израчунати просек многих различитих атомских сатова, од којих сваки даје незнатно другачија очитавања.

Постоји и још један разлог, а он се своди на фундаментално питање: шта је тачно секунда?

Током година, дефиниција ове СИ јединице се мењала, а са њом и наша дефиниција времена.

Штавише, ускоро би она могла да се промени још једном.

Редефинисање секунде

Некада се секунда дефинисала као 1/86,400 средњег соларног дана - просечно време потребно да Сунце дође у исту тачку на небу у подне, за шта му је потребно отприлике 24 сата.

Другим речима, била је заснована на Земљиној ротацији, за коју сада знамо да је нередовна.

Секунда би, по овој дефиницији, била дужа 1900. године него што је била 1930, кад је просечна ротација планете била бржа.

(Метролози су некада имали сличан проблем са килограмом: био је заснован на металном блоку држаном у трезору у Паризу, али би се он временом необјашњиво мењао, а са њим и свачија дефиниција килограма.)

Половином Двадесетог века, метролози су одлучили да то просто није довољно.

И зато су начинили нову дефиницију времена.

Одлучено је 1967. године да секунда уместо тога треба да буде заснована на фиксној нумеричкој вредности хиперфине транзиције непомућеног цезијума у његовом стању мировања.

„Мало је језиколомка", признаје Гил.

Шта то, дакле, значи?

Суштински, то је само још један периодични, репетивини процес - основ за сво мерење времена.

Ако уроните атоме цезијума у микроталасе, они испуштају више електромагнетне радијације, са специфичном фреквенцијом која зависи од нивоа енергије у атому.

Мерењем ове фреквенције, као што је бројање њихања клатна, можете да измерите проток времена.

Научници из НПЛ-а раде то са нечим што се зове цезијумска фонтана.

„Користимо светло да дигнемо атоме у ваздух на око пола метра и они под утицајем гравитације падну назад. Потом можете да очитате ту фонтану уз помоћ подесивих микроталаса", објашњава Гил.

Поставка фонтане је неопходна зато што „желите да атоми буду неометени колико год је могуће".

Ако држите атоме на неки други начин, на пример електронски, или користите светло да бисте их држали, то ће променити вашу фреквенцију.

Ова дефиниција одабрана је зато што је цезијум поуздан као изотоп - буквално сви атоми у узорку реаговаће на електромагнетну радијацију на исти начин.

Такође, у Двадесетом веку, микроталасне фреквенције могле су бити тачније и поузданије мерене од виших фреквенција на електромагнетном спектру.

То је можда аналогно начину на који можете да измерите властите откуцаје срца штоперицом, али вам је потребна напреднија технологија да измерите фреквенцију покрета крила муве.

Тиранија времена

За неке, време на часовнику има и мрачну страну.

Ако живите према сату, кажу они, он ће постати ваш господар, а не компањон.

Социолошкиња Барбара Адам тврди да кад је индустрија преузела контролу над временом, оно је постало „мерљиви ресурс отворен за манипулацију, управљање и контролу, и подложан комодификацији, додељивању, коришћењу и злоупотреби".

Неиндустријске културе често гледају на време другачије.

За неке, оно тече узбрдо, за неке друге је сличније језеру него правој линији, а за неке треће, будућност је иза а прошлост испред.

Време се не доживљава као роба која може да се „троши" или „траћи".

Деценијама је важила ова дефиниција.

„То је веома добро, зато што то значи да се стандард не мења сваких пет минута, а то је важно у метрологији", каже Гил.

И користе га НПЛ и БИПМ да потцртају своје прорачуне у документима као што су Циркулар-Т.

Међутим, како је наука напредовала - а, као и увек до сада, нове технологије захтевају прецизније време - метролози су почели да размишљају о новој дефиницији секунде.

То се неће десити преко ноћи - можда тек 2030-тих - али ће обележити највећу промену у заједничком мерењу времена још од шездесетих.

„Чак и док је секунда била дефинисана према микроталасним променама у цезијуму, научници су већ били свесни да можете да направите бољи сат преласком на оптичку фреквенцију", објашњава физичарка Ен Кертис из НПЛ-а.

„Оптичке фреквенције осцилирају много, много брже у стотинама терахерца. Стотине билиона осцилација у секунди."

Зашто је виша фреквенција боља?

„Најбољи начин да схватите зашто је то важно је да замислите лењир са коначним бројем подеока", објашњава Кертис.

На обичном лењиру, дакле, обележени су милиметри, али не и микрометри, на пример.

„Ако повећате број линија за четири пута, очигледно можете да измерите нешто много прецизније."

Дакле, у лабораторијама као што је НПЛ, научници сада експериментишу са новом оптичком технологијом, у нади да ће у оквиру наредне деценије секунда добити нову дефиницију.

Прво је, међутим, потребно урадити много више тестирања.

„Морате да направите дефиницију која је употребљива, која је практична, и која је изводљива у свим различитим националним метролошким лабораторијама широм света", каже Кертис.

„Дакле, то не може да буде само нека особита ствар коју ће моћи да направи само једна група. Ако то направе стварно добро, то мора бити нешто што сви можемо да назовемо редефинисањем."

Време као конструкт

Шта, дакле, сви ми остали да мислимо о томе?

Под један, то илуструје једну изузетну истину: не постоји сат на Земљи који може бити савршено стабилан или да откуцава у савршено тачном ритму.

То је била истина и кад су људи користили сунчане часовнике, а истина је и данас - чак и уз атомско мерење времена.

Секунда је, на пример, дефинисана према технологији коју имамо на располагању и ономе шта група метролога задужених за доношење одлука кажу да је она.

Атомским сатовима, без обзира на то колико су тачни, и даље мора да се „управља".

А кад метролози раде ствари као што су додавање преступних секунда на временску скалу, они прилагођавају време људским потребама: да би били сигурни да ће неке ствари остати исте, као што је уживање у изласку сунца ујутро.

Време на сату је нешто око чега се договарамо; оно није право време.

Међутим, тај договор је нужан за живот и рад у савременим друштвима.

Кад бисмо се вратили на дане кад је сво време било дефинисано локално, многе од наших технологија би престале да раде, возови би се сударали, а финансијска тржишта би падала.

Волели ми то или не, свет је изграђен на времену које показују сатови.

Уме да буде просветљујуће, међутим, кад се помисли на то шта су тачно темељи тог конструкта.

Кад размишљате о времену на начин на који то чине метролози, време постаје нешто друго.

У НПЛ-у, док читам упозорење „не дирајте мајзер", питам једног од научника који ме је спровео около да ли је он сам добар као мерач времена: да ли је лично тачан човек, на пример.

„Ох, ја размишљам искључиво у наносекундама", одговара ми он.

Можда ће вас занимати и овај видео:

*Ричард Фишер је виши новинар за ББЦ Будућност и твитује са @rifish.

Пише билтен The Long-termist's Field Guide, и аутор је нове књиге Дугорочни поглед (Wildfire/Headline).

Пратите нас на Фејсбуку,Твитеру и Вајберу. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на [email protected]