Nauka  /  Artykuł

Skąd właściwie wiemy, ile powinna trwać sekunda? Naukowcy próbują podać nową definicję

Picture of the author

Każdy z nas słyszał o tym, że w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sevres pod Paryżem znajduje się wzorzec metra, według którego ustalana jest miara tej podstawowej jednostki długości.

Sęk w tym, że ta potoczna wiedza nie ma pokrycia w rzeczywistości już od 1889 r. Wtedy to, po ponownym zmierzeniu wykonanego ze stopu platyny i irydu pręta, okazało się, że jego długość się nie zgadza. A z czym porównywano? Z definicją, która w tamtym czasu brzmiała, że jest to 10-7 długości mierzonej wzdłuż południka paryskiego od równika do bieguna. Wzorzec ten można podziwiać do dziś w muzeum.

Wzór metra obowiązujący do 1889 roku

W trakcie konferencji Miar w 1889 r. określono nową definicję - 0,9999914 * 10-7 połowy południka. Jak widać, nieco metr „skrócono” (co wynikało z nowego zmierzenie rozmiarów Ziemi). Następnie zaznaczono tę odległość kreskami na nowym wzorcu.

Ta definicja obowiązywała do 1960 r., kiedy stworzono nową, niezależną od przedmiotów materialnych (jakim jest nasza planeta). Dlaczego było to istotne? Ze względu na to, że wszystkie przedmioty materialne służące jako referencja (np. planeta czy pręt z metali szlachetnych) ulegają degradacji, odkształceniom oraz zmianom rozmiarów pod wpływem grawitacji i zmian temperatury. Nowa definicja, podana w 1960 r., opisywała metr jako wielokrotność długości konkretnej fali promieniowania w próżni. Kolejne definicje podążały za tym wzorem: w 1983 r. zdefiniowano ponownie metr, tym razem jako długość drogi, którą przebywa światło w próżni w czasie 1/299792458 sekundy. Mimo że w 2019 definicję zmieniono tak, aby miała nieco inne brzmienie, to jest ona obowiązująca do dziś.

Co z sekundą?

W definicji metra pojawiła się sekunda. Powinniśmy ją również odpowiednio zdefiniować. Historycznie rzecz biorąc, istniały tylko trzy definicje sekundy.

Pierwsza definicja ustalała sekundę jako ułamek doby. Druga definicja podobnie - definiowała tę jednostkę jako ułamek ziemskiego roku. Obie mają wadę - zarówno doba (w większym stopniu), jak i czas okrążenia naszej planety wokół słońca (w nieco mniejszym stopniu), to wartości zmienne i podlegające fluktuacjom zależnym od zjawisk fizycznych.

Dlatego powstała trzecia, obowiązująca do teraz definicja. Oto ona:

Sekunda to czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego S1/2 atomu cezu 133Cs.

Definicja ta obowiązuje od 1967 r. i jest oparta na czymś, o czym potocznie mówi się „zegar atomowy”. Jak donosi NPR, naukowcy myślą jednak nad nową, lepszą definicją. Taką, która używałaby nowego zegara atomowego - o większej dokładności. Zegary oparte na atomach cezu mają właśnie taką dokładność - około 9 miliardów „tyknięć” na sekundę. Do mierzenia niektórych zjawisk fizycznych jest to dokładność zbyt mała.

Nowe zegary atomowe - oparte na innych pierwiastkach (m.in. na glinie, stroncie i iterbie) - mogą być nawet stokrotnie dokładniejsze. Dla porównania - gdyby taki zegar „chodził” od początków Wszechświata, to dziś późniłby się (lub spieszył) najwyżej sekundę.

Po co naukowcom taka dokładność? Porównywanie synchronizacji dwóch zegarów atomowych pozwala przeprowadzić wiele eksperymentów naukowych, które badają zmiany w czasoprzestrzeni (jak również umożliwia działanie GPS). Sieć zbudowana z takich hiperdokładnych zegarów pozwoliłaby na wykrycie ciemnej materii oraz na testowania teorii względności.

przeczytaj następny tekst


przeczytaj następny tekst


przeczytaj następny tekst


przeczytaj następny tekst


przeczytaj następny tekst