Supersatovi koji definišu tačno vrijeme - u nanosekundu

Atomski satovi pokazuju vrijeme mnogo tačnije od bilo kog drugog časovnika zasnovanog na Zemljinoj rotaciji - toliko tačno, zapravo, da kad bismo u potpunosti zasnivali naš svijet na njima, vrijeme bi se na kraju odvojilo od dana i noći i Sunce bi izlazilo u 18 časova

21974 pregleda1 komentar(a)
Foto: Getty Images
B S N S
BBC Serbian Naslovna strana

Gledam u znak upozorenja u laboratoriji u Londonu.

„Ne dirajte mejzer", glasi on.

Zakačen je za visoku crnu kutiju, na točkićima, postavljenu u zaštitno čelično kućište.

Ispostavlja se da je to prilično važna kutija i upozorenje je tu s razlogom.

Nije opasan, ali ako bih čačkao uređaj, mogao bih da poremetim sam protok vremena.

To je jedan od nekolicine takvih uređaja koji se drže u Nacionalnoj laboratoriji za fiziku u jugozapadnom Londonu i oni pomažu da svet poseduje precizan zajednički osećaj za sekunde, minute i sate.

Zovu se hidrogenski mejzeri i ekstremno su važni atomski satovi.

Zajedno sa oko 400 drugih, postavljenih svuda na planeti, oni pomažu svetu da definiše koliko je sati, u ovom trenutku, sve do nanosekunde.

Bez tih satova - i ljudi, tehnologije i postupaka koji ih prate - savremeni svet bi polako utonuo u haos.

Zbog mnogih oblasti poslovanja i tehnologija bez kojih ne možemo da živimo, od satelitske navigacije do mobilnih telefona, vreme je „skrivena alatka".

Kako smo, dakle, uopšte stigli do ovog zajedničkog sistema merenja vremena, kako on uvek ostaje precizan i kako bi mogao da se promeni u budućnosti?

Odgovori podrazumevaju zavirivanje iza lica sata i istraživanje same suštine vremena.

Ako zakopate malo dublje, vrlo brzo ćete otkriti da je vreme više ljudski konstrukt nego što na prvi pogled izgleda.

Nije uvek svako na svetu pratio isto vreme.

Vekovima je to bilo nemoguće i vreme je moglo da se definiše samo lokalno, prema vama najbližem satu.

Na nekom mestu je bilo podne, dok je malo dalje bilo 12:15.

Još u 19. veku, SAD su funkcionisale prema stotinama različitih vremenskih standarda, koje su definisali gradovi i lokalni upravnici železničkih stanica.

Deo razloga za to bio je što nije postojao održiv način da se sinhronizuje svaki sat u državi, a kamoli na drugom kraju Zemlje.

Tokom najvećeg dela ljudske istorije, to i nije bilo toliko važno: ljudi su radili kad su morali, nisu putovali daleko, a ako su želeli da znaju koliko je sati, mogli su da saznaju bacivši pogled na najbliži sunčani časovnik, gradsku sahat-kulu ili slušajući crkvena zvona ili pozive na molitvu.

Međutim, kako se industrijsko doba zahuktalo, postalo je jasno da to tako više neće moći.

U nekim slučajevima, bilo je čak i pogubno.

Na primer, u Novoj Engleskoj sredinom 19. veka, u direktnom sudaru dva voza stradalo je 14 ljudi, zato što je jedan od konduktera koristio „nekvalitetan pozajmljeni časovnik", koji nije bio usklađen sa koleginim satom.

Da bi radile efikasno, privrede u razvoju morale su da imaju bolji zajednički osećaj za tačno vreme: da bi fabrike mogle da angažuju radnu snagu u isto vreme, da bi vozovi polazili i stizali kad treba i da bi bankari mogli da stave vremenski žig na finansijske transakcije.

Kao što je istoričar Luis Mamford jednom primetio, stoga je sat, a ne parna mašina, bio najvažnija mašina industrijske revolucije.

Parne mašine su možda pokretale fabrike i transport, ali nisu mogle da sinhronizuju ljude i njihove aktivnosti.

Neko vreme, glavni arbitar ovog novog zajedničkog vremena bio je Grinič u Londonu.

Tamošnji napredni mehanički satovi pokazivali su „pravo" vreme: Griničko srednje vreme (GMT).

Merači vremena su 1833. godine dodali kuglu na jarbol Kraljevske griničke opservatorije u Londonu.

Ona bi pala u 13:00 časova svakog dana kako bi trgovci, fabrike i banke mogle da podese svoje satove koji su žurili ili kasnili.

Nekoliko godina kasnije, GMT se delio telegramom širom zemlje kao „železničko vreme" - osiguravši da je čitava britanska železnička mreža usklađena.

Grinički vremenski signal je 1880-tih slat preko Atlantika podmorničkim telegramom u Harvard u Kembridžu, u Masačusetsu.

I na Međunarodnoj konferenciji o meridijanima u Vašingtonu više od 25 zemalja odlučilo je da GMT postane međunarodni vremenski standard.

Pip, pip

Početkom 20. veka, BBC je počeo da igra ulogu u širenju preciznog zajedničkog vremena.

Kad je korporacija počela da emituje radio program širom sveta, on je uključivao niz „pipova" svakog punog sata, koji je u to vreme proizvođen u Griniču.

Danas ove signale pravi BBC, a ima ih ukupno šest, sa punim satom koji se obeležava poslednjim, najdužim tonom.

I neke druge zemlje ih imaju: u Finskoj su poznati, na primer, kao „pipit".

Nažalost, međutim, digitalni radio je smanjio njihovu tačnost za podešavanje vašeg časovnika, zato što konverzija signala stvara blago kašnjenje.

Kako su decenije prolazile, međutim, postalo je jasno da je potreban bolji način za sinhronizovanje vremena.

Merači vremena iz Griniča možda su mogli da se pohvale da održavaju neke od najtačnijih časovnika na svetu, ali su proračune zasnivali na nepouzdanoj osnovi: vremenu koje je Zemlji potrebno da napravi pun krug.

Da bi pokazivali tačno vreme, svi satovi zahtevaju periodični, repetitivni proces -bilo da su to klatno koje se njiše ili elektronske oscilacije kvarc kristala.

Satovi u Griniču se kalibriraju uz pomoć vremena potrebnog da Sunce dođe u isti položaj na nebu posle jednog dana.

Njihovo klatno je stoga bila sama Zemlja, koja se okretala naizgled pouzdanom brzinom. (To je važilo i za Univerzalno vreme, koje je zamenilo GMT 1928. godine)

Međutim, u Dvadesetom veku naučnici su shvatili da se brzina rotacije naše planete tokom godina ubrzava i usporava, zbog gravitacione sile Meseca, Sunca i drugih planeta, geoloških promena u jezgru i njegovom omotaču, pa čak i okeanskih i klimatskih promena.

Godine 1900, ona se okretala u proseku gotovo četiri milisekunde sporije nego što je to činila na prelasku u 21. vek.

I dok su najbolji merači vremena na svetu mogli da tvrde da su tačniji od prosečnog ručnog ili zidnog časovnika, i oni sami su grešili u vezi sa „pravim" vremenom.

Atomsko vreme

Negde u isto vreme, kvantni fizičari sugerisali su da atomi možda sadrže mnogo bolji način za pokazivanje vremena od Zemljine rotacije.

Ako se primeni konkretna frekvencija elektromagnetnog zračenja na atom, njegov nivo energije se menja.

Možete da iskoristite elektronski brojač da pratite te promene.

Kao klatno koje se njiše, to čini stabilan periodični proces na osnovu kog može da se izračuna protok vremena.

To će se na kraju pokazati osnovom za „atomski sat".

Atomski satovi pokazuju vreme mnogo tačnije od bilo kog drugog časovnika zasnovanog na Zemljinoj rotaciji - toliko tačno, zapravo, da kad bismo u potpunosti zasnivali naš svet na njima, vreme bi se na kraju odvojilo od dana i noći i Sunce bi izlazilo u 18:00 časova predveče.

Zbog toga svetski merači vremena povremeno moraju da dodaju prestupne sekunde.

Getty Images

Hidrogenski mejzeri u NPL-u u Londonu neki su od najvažnijih atomskih satova na svetu.

Ima ih još nekoliko stotina na planeti, a njima upravljaju nacionalni metrološki instituti i oni su novi arbitri vremena za sve nas.

Ali nije sve tako jednostavno kao obično očitavanje vremena sa njih: nijedan atomski sat, naime, nije savršen, zbog stvari kao što su lokalne gravitacione sile ili razlike između njihove elektronike.

Metrolozi zbog toga moraju da ispeglaju te sitne nesavršenosti.

Evo kako to funkcioniše: laboratorija kao što je NPL beleži i rafiniše vremenske informacije iz svoje banke atomskih satova - hidrogenskih mejzera - primenjujući povremenu korekciju ako izgleda da se sat udaljava (metrolozi ovo zovu „upravljanjem" i rade to koristeći zasebnu opremu kojom se definiše dužina sekunde… ali vratićemo se tome kasnije.)

NPL potom to šalje Međunarodnom zavodu za težine i merenja (BIPM) u Parizu.

Merači vremena iz BIPM-a izračunavaju prosek svih tih vrednosti, dajući posebnu prednost satovima koji bolje rade.

Unose se dodatna poboljšanja i na kraju ovaj proces rađa ono što se naziva Međunarodnim atomskim vremenom (TAI - Temps Atomique International).

Jednom mesečno, BIPM šalje TAI u ekstremno važnom dokumentu zvanom „Cirkular-T".

Ovaj dokument omogućava nacionalnim laboratorijama da ponovo usklade satove i, ključno, isporuče tačno vreme delatnostima kojima je to neophodno.

U Velikoj Britaniji, to je NPL-ov posao, ali u SAD on pripada Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju, a ima ih još mnogo više širom sveta.

Cirkular-T praktično čini savremeni ekvivalent kugle koja pada u Griniču.

I dok većina ljudi ne mora da zna tačno vreme u nanosekundu, mnoge poslovne delatnosti i tehnologije moraju.

„Satelitska navigacija je verovatno jedna od najprisutnijih potreba za velikom tačnošću, ali ima ih drugih", kaže metrolog Partik Gil iz NPL-a.

„Sinhronizacija komunikacije, distribucija energije i finansijsko trgovanje zahtevaju izuzetno precizno vreme."

Nove tehnologije takođe donose dodatne zahteve: 5G mreža je zasnovana na preciznoj sinhronizaciji, na primer, baš kao i navigaciona tehnologija koja navodi automatska vozila.

Stvar je u tome, međutim, da je TAI i dalje konstrukt hipotetičnog „tačnog" vremena na satovima: merenje kojeg svet prosto pristaje da se drži.

Ne radi se samo o tome da je to izračunati prosek mnogih različitih atomskih satova, od kojih svaki daje neznatno drugačija očitavanja.

Postoji i još jedan razlog, a on se svodi na fundamentalno pitanje: šta je tačno sekunda?

Tokom godina, definicija ove SI jedinice se menjala, a sa njom i naša definicija vremena.

Štaviše, uskoro bi ona mogla da se promeni još jednom.

Redefinisanje sekunde

Nekada se sekunda definisala kao 1/86,400 srednjeg solarnog dana - prosečno vreme potrebno da Sunce dođe u istu tačku na nebu u podne, za šta mu je potrebno otprilike 24 sata.

Drugim rečima, bila je zasnovana na Zemljinoj rotaciji, za koju sada znamo da je neredovna.

Sekunda bi, po ovoj definiciji, bila duža 1900. godine nego što je bila 1930, kad je prosečna rotacija planete bila brža.

(Metrolozi su nekada imali sličan problem sa kilogramom: bio je zasnovan na metalnom bloku držanom u trezoru u Parizu, ali bi se on vremenom neobjašnjivo menjao, a sa njim i svačija definicija kilograma.)

Polovinom Dvadesetog veka, metrolozi su odlučili da to prosto nije dovoljno.

I zato su načinili novu definiciju vremena.

Odlučeno je 1967. godine da sekunda umesto toga treba da bude zasnovana na fiksnoj numeričkoj vrednosti hiperfine tranzicije nepomućenog cezijuma u njegovom stanju mirovanja.

„Malo je jezikolomka", priznaje Gil.

Šta to, dakle, znači?

Suštinski, to je samo još jedan periodični, repetivini proces - osnov za svo merenje vremena.

Ako uronite atome cezijuma u mikrotalase, oni ispuštaju više elektromagnetne radijacije, sa specifičnom frekvencijom koja zavisi od nivoa energije u atomu.

Merenjem ove frekvencije, kao što je brojanje njihanja klatna, možete da izmerite protok vremena.

Naučnici iz NPL-a rade to sa nečim što se zove cezijumska fontana.

„Koristimo svetlo da dignemo atome u vazduh na oko pola metra i oni pod uticajem gravitacije padnu nazad. Potom možete da očitate tu fontanu uz pomoć podesivih mikrotalasa", objašnjava Gil.

Postavka fontane je neophodna zato što „želite da atomi budu neometeni koliko god je moguće".

Ako držite atome na neki drugi način, na primer elektronski, ili koristite svetlo da biste ih držali, to će promeniti vašu frekvenciju.

Ova definicija odabrana je zato što je cezijum pouzdan kao izotop - bukvalno svi atomi u uzorku reagovaće na elektromagnetnu radijaciju na isti način.

Takođe, u Dvadesetom veku, mikrotalasne frekvencije mogle su biti tačnije i pouzdanije merene od viših frekvencija na elektromagnetnom spektru.

To je možda analogno načinu na koji možete da izmerite vlastite otkucaje srca štopericom, ali vam je potrebna naprednija tehnologija da izmerite frekvenciju pokreta krila muve.

Tiranija vremena

Za neke, vreme na časovniku ima i mračnu stranu.

Ako živite prema satu, kažu oni, on će postati vaš gospodar, a ne kompanjon.

Sociološkinja Barbara Adam tvrdi da kad je industrija preuzela kontrolu nad vremenom, ono je postalo „merljivi resurs otvoren za manipulaciju, upravljanje i kontrolu, i podložan komodifikaciji, dodeljivanju, korišćenju i zloupotrebi".

Neindustrijske kulture često gledaju na vreme drugačije.

Za neke, ono teče uzbrdo, za neke druge je sličnije jezeru nego pravoj liniji, a za neke treće, budućnost je iza a prošlost ispred.

Vreme se ne doživljava kao roba koja može da se „troši" ili „traći".

Decenijama je važila ova definicija.

„To je veoma dobro, zato što to znači da se standard ne menja svakih pet minuta, a to je važno u metrologiji", kaže Gil.

I koriste ga NPL i BIPM da potcrtaju svoje proračune u dokumentima kao što su Cirkular-T.

Međutim, kako je nauka napredovala - a, kao i uvek do sada, nove tehnologije zahtevaju preciznije vreme - metrolozi su počeli da razmišljaju o novoj definiciji sekunde.

To se neće desiti preko noći - možda tek 2030-tih - ali će obeležiti najveću promenu u zajedničkom merenju vremena još od šezdesetih.

„Čak i dok je sekunda bila definisana prema mikrotalasnim promenama u cezijumu, naučnici su već bili svesni da možete da napravite bolji sat prelaskom na optičku frekvenciju", objašnjava fizičarka En Kertis iz NPL-a.

„Optičke frekvencije osciliraju mnogo, mnogo brže u stotinama teraherca. Stotine biliona oscilacija u sekundi."

Zašto je viša frekvencija bolja?

„Najbolji način da shvatite zašto je to važno je da zamislite lenjir sa konačnim brojem podeoka", objašnjava Kertis.

Na običnom lenjiru, dakle, obeleženi su milimetri, ali ne i mikrometri, na primer.

„Ako povećate broj linija za četiri puta, očigledno možete da izmerite nešto mnogo preciznije."

Dakle, u laboratorijama kao što je NPL, naučnici sada eksperimentišu sa novom optičkom tehnologijom, u nadi da će u okviru naredne decenije sekunda dobiti novu definiciju.

Prvo je, međutim, potrebno uraditi mnogo više testiranja.

„Morate da napravite definiciju koja je upotrebljiva, koja je praktična, i koja je izvodljiva u svim različitim nacionalnim metrološkim laboratorijama širom sveta", kaže Kertis.

„Dakle, to ne može da bude samo neka osobita stvar koju će moći da napravi samo jedna grupa. Ako to naprave stvarno dobro, to mora biti nešto što svi možemo da nazovemo redefinisanjem."

Vreme kao konstrukt

Šta, dakle, svi mi ostali da mislimo o tome?

Pod jedan, to ilustruje jednu izuzetnu istinu: ne postoji sat na Zemlji koji može biti savršeno stabilan ili da otkucava u savršeno tačnom ritmu.

To je bila istina i kad su ljudi koristili sunčane časovnike, a istina je i danas - čak i uz atomsko merenje vremena.

Sekunda je, na primer, definisana prema tehnologiji koju imamo na raspolaganju i onome šta grupa metrologa zaduženih za donošenje odluka kažu da je ona.

Atomskim satovima, bez obzira na to koliko su tačni, i dalje mora da se „upravlja".

A kad metrolozi rade stvari kao što su dodavanje prestupnih sekunda na vremensku skalu, oni prilagođavaju vreme ljudskim potrebama: da bi bili sigurni da će neke stvari ostati iste, kao što je uživanje u izlasku sunca ujutro.

Vreme na satu je nešto oko čega se dogovaramo; ono nije pravo vreme.

Međutim, taj dogovor je nužan za život i rad u savremenim društvima.

Kad bismo se vratili na dane kad je svo vreme bilo definisano lokalno, mnoge od naših tehnologija bi prestale da rade, vozovi bi se sudarali, a finansijska tržišta bi padala.

Voleli mi to ili ne, svet je izgrađen na vremenu koje pokazuju satovi.

Ume da bude prosvetljujuće, međutim, kad se pomisli na to šta su tačno temelji tog konstrukta.

Kad razmišljate o vremenu na način na koji to čine metrolozi, vreme postaje nešto drugo.

U NPL-u, dok čitam upozorenje „ne dirajte majzer", pitam jednog od naučnika koji me je sproveo okolo da li je on sam dobar kao merač vremena: da li je lično tačan čovek, na primer.

„Oh, ja razmišljam isključivo u nanosekundama", odgovara mi on.

Možda će vas zanimati i ovaj video:

*Ričard Fišer je viši novinar za BBC Budućnost i tvituje sa @rifish.

Piše bilten The Long-termist's Field Guide, i autor je nove knjige Dugoročni pogled (Wildfire/Headline).

Pratite nas na Fejsbuku,Tviteru i Vajberu. Ako imate predlog teme za nas, javite se na bbcnasrpskom@bbc.co.uk