سنجهی دقیق زمان
زمین، مدتها قبل از اینکه حیات در روی آن پدیدار شود، دست خوش تناوبهای مشخصی مثل تغییر روز به شب و تغییر فصول بوده است. این تناوبها تأثیر عمیقی بر تحول اندامهای بیولوژیکی داشتهاند؛ بیشتر جانوران تحتتأثیر
مترجم: احمد رازیانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
زمین، مدتها قبل از اینکه حیات در روی آن پدیدار شود، دست خوش تناوبهای مشخصی مثل تغییر روز به شب و تغییر فصول بوده است. این تناوبها تأثیر عمیقی بر تحول اندامهای بیولوژیکی داشتهاند؛ بیشتر جانوران تحتتأثیر یک دورهی شبانهروزیاند که تقریباً در هر 24 ساعت نیاز به خواب را در آنها پدید میآورد، حتی اگر در یک محیط بسته و فارغ از تغییرات متناوب روشنایی قرار گرفته باشند. ناراحتی جسمی و روحی که در طی فاصلههای زیاد به طرف شرق یا غرب به مسافران هواپیما عارض میشود نشاندهندهی مشکلی است که انسان در تنظیم ساعتهای بیولوژیکی درونی خود با آن مواجه است. تناوب در محیط فیزیکی و در ماهیت بیولوژیکی انسان، بیگمان در برداشت او از مفهوم زمان تأثیر داشته است. این برداشت به نوبهی خود با توانایی اندازهگیری زمان به نحوی تنگاتنگ درآمیخته است، و از بعضی جهات معنی زمان به واسطهی روشهای به کار برده شده در اندازهگیری آن تعریف میشود. هر ساعتی اساساً از سه جزء تشکیل میشود: سازوکاری برای فراهم کردن یک تناوب منظم، مثل گردش زمین یا حرکت آونگ؛ یک منبع انرژی برای پایا نگهداشتن حرکت، بیآنکه تأثیر مهمی بر دورهی تناوب بگذارد؛ و همچنین وسیلهای برای شمارش دورهها و نشان دادن زمان. برای توصیف مشخصات یک ساعت، لازم است که سه ویژگی متفاوت ولی مرتبط با یکدیگر، یعنی دقت، قابلیت بازتولید، و پایداری را از هم متمایز کنیم. دقت معیاری است برای تطابق ساعت با مقدار مشخصی که واحد زمان تعیین میکند. قابلیت باز تولید معیاری است برای توافق وسیلههای مستقلی که طرح و تنظیم یکسانی دارند. پایداری معیار یکسان بودن نتایج در بازههای زمانی متوالی است. چون پایداری و دقت همهی شاعتها اصولاً توسط سازوکاری که تناوب را ایجاد میکند تعیین میشود، در بحثهای اندازهگیری دقیق زمان روی این جنبهها تأکید میشود. طی قرون متمادی از وسیلهها و سازوکارهای گوناگونی به عنوان منبع تناوب برای اندازهگیری زمان استفاده شده است. بسیاری از بناهای ماقبل تاریخ در جهتی ساخته شدهاند که انقلاب تابستانی را آشکار کنند. انسان اولیه برای تقسیم روز به واحدهای کوچکتر، از شاخصها (ساعتها)ی آفتابی استفاده میکرد؛ با پیشرفت تمدن، این شاخصها جای خود را به شاعتهای آبی، ساعتهای شمعی، و ساعتهای شنی دادند که خطای بیشتر آنها از هزار ثانیه در روز بدتر بود. چون یک روز تقریباً 105 ثانیه دارد، این خطا متناظر با یک درصد (
ساعتهای بلور کوارتز
زمان و بسامد با هم رابطهی نزدیک دارند زیرا بسامد، بنا به تعریف، تعداد نوسانها در واحد زمان (هرتز) است. اندازهگیری، دقیق زمان، به شرط شمارش صحیح نوسانها، اندازهی بسامد را به همان دقت به دست میدهد؛ و به عکس هر وسیلهای نوسان کننده با تسامد پایا میتواند منبع تناوبهایی باشد که به وسیلهی ساعت اندازهگیری میشوند. ساعتهای اولیه، همانطور که دیدیم اصولاً برای اندازهگیری گذشت زمان ساخته شده بودند، اما، انگیزهی اصلی ساخت دیاپازونها، نوسانگرهای بلور کوارتز، و ساعتهای اتمی، اندازهگیری بسامد بود. از حرکتهای نوسانی یک جسم مرتعش بسامد یا دورهی تناوبی به دست میآید که میتوان بر مبنای آن ساعت ساخت. حفظ حرکتهای ارتعاشی در بیشتر مواد مشکل است، ولی بعضی بلورها خاصیت پیزو الکتریسیته (یا به عبارتی الکتریسیتهی فشاری) دارند که به این امر کمک میکند. پیزو الکتریسیته عبارت از قطبشی است که در اثر کرنش مکانیکی در این بلورهای خاص حاصل میشود، و همچنین عکس این اثر است که وقتی بلوری از نظر الکتریکی قطبیده میشود ابعاد آن تغییر میکند. بلوری که خاصیت پیزوالکتریسیته داشته باشد اگر با یک مدار الکترونیکی جفت شود میتواند ارتعاشها را پایا نگهدارد و آنها را بشمارد. این پدیده در سال 1259/1880 توسط پییرو ژاک کوری کشف شد و بلورهای پیزوالکتریکی بعداً توسط نیکلسون و کادی در نوسانگرهای الکترونیکی به کار گرفته شدند، اما تازه در سال 1307/1928 بود که نخستین ساعت با بلور کوارتز توسط هورتون و موریسون ساخته شد. در میان بلورهای شناخته شده، تک بلورهای کوارتز (سیلیسیم دیوکسید SiO2 به خاطر خواص پیزو الکتریکی، سختی، اتلاف داخلی کم، دوام، یکنواختی، دسترس پذیری در ابعاد نسبتاً بزرگ، و برشپذیری به صورت لایههای نازک که بسامدهای مشخصهی آنها تقریباً مستقل از دماست، از همه مناسبترند. بهترین ساعتهای کوارتزی فوقالعاده پایدارند (ساعتهای اتمی
ساعتهای کوارتزی پایداری قابل ملاحظهای دارند، اما بیشترین دقت، قابلیت بازتولید، و پایداری، متعلق به ساعتهای اتمی است که فعلاً تعریف ثانیه به عنوان واحد زمان مبتنی بر آنهاست. ارتعاشی که در ساعتهای اتمی اندازهگیری میشود ناشی از برهمکنش مغناطیسی هستهی (سنگین) اتم با الکترونهای (سبک) آن است. هستهی بیشتر اتمها مثل عقربهی آهنربا مغناطیده است. درست مثل یک فرفرهی چرخان که کمی کج قرار میگیرد و محور آن در اثر گرانش حول راستای قائم حرکت تقدیمی انجام میدهد، هسته نیز حول میدانی که الکترونها ایجاد کردهاند حرکت تقدیمی انجام میدهد. بسامدهای تقدیمی و تکانههای زاویهای به بهترین نحو با استفاده از مکانیک کوانتومی توصیف میشوند. برای اتمهای موادی که معمولاً در ساعتهای اتمی به کار میروند، فقط دو حالت مجاز برای جهتگیری نسبی تکانهی زاویهای هسته و تکانهی زاویهای الکترونها وجود دارد؛ یکی وقتی که این تکانهها تا حد امکان موازیاند و دیگری وقتی که تا حد امکان پاد موازیاند. اگر اختلاف انرژی این دو حالت W1-W2 باشد، بسامد تقدیمی کلاسیکی با بسامد کوانتومیاگر چه رابی و همکارانش امکان ساخت ساعتهای اتمی را قبل از سال 1945 مطرح کردند، اما دستیابی به دقت فعلی
اصلاحات در آینده
شاید این طور به نظر برسد که برای دقیقتر کردن اندازهگیری زمان دیگر جای زیادی باقی نمانده است. اما چنین نیست. در ساعتهای اتمی میتوان باریکههای لیزری را جانشین آهنرباهای حالت گزین کرد، و با عبور دادن دو باریکه از اتمها از ناحیهی گذار در دو جهت مخالف، میتوان اثر مزاحم جابهجایی فاز را کاهش داد. برای کاهش جابهجایی دیوارهای و پایدارتر آن، میشود برای میزرهای هیدروژن مواد جدید پوششی، از جمله هلیم مایع ابر شاره و روغنها یا گریسهای تفلون مانند، فراهم کرد. استانداردهای اتمی زمان، مبتنی بر لیزرها و وسیلههای کوانتومی وابسته، دارند در بسامدهای خیلی بالاتری طراحی میشوند. دقت اندازهگیری، مستقل از بسامد، بر حسب کسری از یک چرخه (سیکل) تعیین میشود، و بنابراین هرچه بسامد بالاتر باشد دقت اندازهگیری زمان بیشتر است. جابهجایی مرتبهی اول دوپلر زیاد است، اما روشهای ماهرانهی گوناگونی برای کاهش یا حذف آن مطرح شدهاند. در طیفنمایی جذب اشباع شده و طیفنمایی دوفوتونی از دو باریکهی لیزر با بسامد یکسان که در جهتهای مخالف حرکت میکنند استفاده میشود تا جابهجاییهای مرتبهی اول حذف میشوند. همزمان با گسترش نوسانگرهای پایدار در بسامدهای خیلی بالاتر تلاشهای زیاد برای چند برابر زیاد کردن یا کمکردن این بسامدها صورت گرفته است تا بتوان مقایسههای معتبری میان استانداردها در تمام بسامدها انجام داد. اگرچه نمیتوان یونها را در میدانهای الکتریکی ایستا به طور پایدار به دام انداخت، اما مدتهاست معلوم شده است که میتوان آنها را در میدانهای مغناطیسی یکنواخت ایستا که با یک میدان الکتروستاتیکی نایکنواخت مناسب همراه باشد (تلهی پنینگ)، یا در میدانهای الکتریکی نایکنواخت مناسب که قطبیتها و گرادیانهای آنها به صورت متناوب با بسامدهای رادیویی تغییر میکند (تلههای پاؤل) محبوس کرد. دهملت و همکارانش در کاربرد تلهها برای مطالعهی طیفنمایی اتمی پیشقدم بودند. یونها را میتوان برای بازههای زمانی طولانی در تلهها نگه داشت و در مورد آنها اثر دیوارهای هم وجود ندارد. بنابراین، یونهای به دام افتاده به عنوان استانداردهای زمان و بسامد خصوصیات بسیار جالبی خواهند داشت. تا مدتی پیش، سرعت یونها در قلهها زیاد و در نتیجه جابهجایی دوپلرشان بزرگ بود. اما این تلهها اگر با روش سرمایش لیزری (که در زیر شرح خواهیم داد) ترکیب شوند، بسیار مفید و مؤثرند. در همین اواخر، روشهای گوناگونی برای حبس کردن اتمهای خنثی با باریکههای نایکنواخت لیزری ابداع شده است. نیروها در بعضی موارد از گرادیان میدان الکتریکی باریکه، و در موارد دیگر از تکانهای که اتم در برخورد با فوتون دریافت میکند ناشی میشوند. گرچه بعضی تلهها خیلی ضعیفاند، اما با روشهای سرمایش لیزری میتوان این نقص را برطرف کرد. سرمایش لیزری روشی است که در آن از یک باریکهی نور برای کاهش سرعت اتم یا یون استفاده میشود. این روش اساساً شامل یک باریکهی لیزری است که بسامد آن طوری تنظیم میشود که کمی کمتر از بسامد یک گذار شدیداً مجاز تشدیدی باشد. وقتی سرعت اتم یا یون در خلاف جهت باریکهی لیزری است، بسامد نور در چارچوب مرجع یون با جابهجایی دوپلری به تشدید نزدیکتر میشود، و میزان پراکندگی نور نسبت به وقتی که سرعت در همان جهت باریکهی لیزری است افزایش مییابد. چون فوتونها در جهتهای کترهای باز گسیل میشوند، اثر نهایی در یک دورهی حرکت عبارت از کاهش سرعت یونها به علت جذب تکانهی فوتونهاست. با استفاده از زوجهای مختلفالجهت باریکههای لیزری در امتداد هر یک از سخه محور متعامد، میتوان یک ناحیهی سهبعدی سردشده به وسیلهی لیزر به دست آورد که در آن حرکت اتمها خیلی کند است؛ این ناحیه را معمولاً ملاساپتیکی مینامند. اتمها با روش لیزر تا زیر 0.0003K هم سرد شدهاند، و تشدیدهای باریکی با یک تک یون سرماییده و محبوس مشاهده شده است. با سرمایش لیزری نهتنها پهنشدگی دوپلری مرتبهی اول برطرف میشود، بلکه جابهجایی مرتبهی دوم دوپلر هم – که در تمام ساعتهای اتمی تا وقتی به اندازهی کافی سرد نشده باشند وجود دارد – عملاً از میان میرود. هنوز خیلی زود است که بگوییم چه نوع ترکیبی از داماندازی و سرمایش مؤثرتر است، اما احتمال زیادی دارد که یکی یا چند تا از روشهای جدیدی که بررسی کردهایم منجر به تناوبهای پایدارتری از تناوبهای قابل حصول فعلی شوند که بتوان از آنها به عنوان مبنای ساعتهای اتمی باز هم پایدارتر استفاده کرد.زمان و نسبیت
امروزه اندازهگیری زمان به قدری دقیق است که میتوان آثار نسبیتی را بر ساعتها مستقیماً مشاهده کرد. بنا به نظریهی نسبیت خاص، اگر دو ناظر که هر کدام ساعتی به همراه دارند با سرعت نسبی ثابتی نسبت به یکدیگر حرکت کنند، هر یک از آنها مشاهده میکند که ساعت دیگری کند تر از ساعت خودش کار میکند. این اثر نسبیتی، با مقایسهی دو ساعت اتمی که یکی از آنها مدتی در یک هواپیمای بسیار سریع در حرکت بوده، عملاً نمایش داده شده است. در نتیجهی این تغییر، مفهوم همزمانی برای دو رویداد در محلهای مختلف معنی خود را از دست میدهد. اگر دو ناظر که نسبت به یکدیگر حرکت میکنند دو رویداد در مکانهای مختلف را مشاهده کنند، یکی شان ممکن است به این نتیجه برسد که رویدادها همزماناند، در حالی که دیگری مطوئن است که همزمان نیستند؛ یا اینکه یک ناظر ممکن است مشاهده کند که رویداد A قبل از رویداد B رخ داده است، در صورتی که ناظر دومی به این نتیجه میرسد که رویداد B مقدم بر رویداد A است. اما هرگز ممکن نیست که پس و پیششدن رویدادها به درجهای باشد که علت یک رویداد بعد از خود آن مشاهده شود. شاید به نظر برسد که متفاوت بودن آهنگ ساعتها منجر به چنان ابهام وحشتناکی شود که دیگر مفهوم زمان فایدهای نداشته باشد. اما چنین نیست. هر ناظری یک ویژهزمان دارد که عبارت از زمانی است که به وسیلهی ساعت دقیقی که همیشه همراه خود اوست اندازهگیری میشود. بنابراین اگر سرعتهای نسبی ناظرهای مختلف را بدانیم، میتوانیم ویژه زمان آنها را از روی روابط معروف نظریهی نسبیت خاص محاسبه کنیم. نظریهی نسبیت عام اینیشتین شامل شتاب و گرانش هم میشود و دیگر (مثل نظریهی نسبیت خاص) به سرعتهای نسبی ثابت محدود نیست. یک نتیجهی نظریهی نسبیت عام این است که آهنگ ساعت نهتنها بستگی به سرعت ظاهری آن دارد بلکه به پتانسیل گرانشی آن نیز وابسته است؛ مثلاً ساعتی که از زمین دور باشد کمی تندتر از ساعتی که نزدیک زمین است کار میکند.زمان به عنوان تاریخ
کلمهی زمان به دو معنی متفاوت به کار گرفته میشود. یکی به معنی بازهی زمانی است، تعداد دقیقههایی که طول میکشد تا یک تخم مرغ پخته شود. و همین معنی است که تا اینجا موضوع بحث ما بوده است. زمان به معنی تاریخ نیز به کار میرود؛ مثلاً 30 ثانیه بعد از ساعت 2:00 بعدازظهر 12 دسامبر 1987. روشن است که این دو معنی رابطهی نزدیکی با یکدیگر دارند، زیرا دومی هم مدتی است که از یک نقطهی شروع قراردادی تا زمان مورد نظر طول کشیده است. حتی با توافق بینالمللی در تعریف ثانیه به عنوان واحد زمان و در انتخاب رویداد آغازی مناسبی برای اندازهگیری زمان به عنوان تاریخ، پیچیدگیهای دیگری وارد کار میشود که ناشی از آهنگ متغیر چرخش زمین است. اگر روز و سال فقط به وسیلهی ساعت اتمی تعریف میشد، رابطهی تقویم با خورشید و ستارگان تغییر میکرد، و سردرگمیها و مشکلاتی برای اخترشناسان، دریانوردان، و حتی افراد عادی پیش میآمد. به همین مناسب است که بنا به توافق بینالمللی، برای جبران اثر حرکت نامنظم زمین گاهگاه تصحیحاتی (به صورت ثانیههای پرشی) اعمال میشود. مقیاس بینالمللی زمان مبتنی بر چیزی است که زمان جهانی هماهنگ (UTC) نامیده میشود. آزمایشگاههای استانداردهای تعدادی از کشورهای بزرگ نتایج اندازهگیریهایی را که با ساعتهای سزیمی خودشان انجام دادهاند به دفتر بینالمللی ساعت در پاریس میفرستند و در آنجا UTC از میانگین این نتایج تعیین میشود. تصحیحات پرشی با اعلام قبلی مناسب در شروع یا وسط سال (هر وقت که لازم شد) انجام میشوند، تا اختلاف UTC با زمان دریانوردان هیچوقت از 7/0 ثانیه تجاوز نکند. در سالهای اخیر، تقریباً هر یک سال و نیم یکبار، یک ثانیه پرشی اعمال میشود.برای اثرهای نسبیتی مختلف در روی زمین و در فضای مجاور آن هم باید تصحیحاتی در نظر گرفت. همان طور که دیدهایم، چنین اثرهایی از حرکت چرخشی و مداری زمین، از پتانسیل گرانشی زمین و دیگر اجرام منظومهی شمسی، و از سرعتها و پتانسیلهای گرانشی ساعتها ناشی میشوند. حتی در تعریف همزمانی هم باید دقت کرد. در روی زمین برای اجتناب از ابهام میتوان از زمان مختصاتی در یک دستگاه بدون چرخشی استفاده کرد و سپس رابطهی میان این مختصه و زمان اندازهگیری شده در سطح زمین چرخان را از روی اصول نسبیتی محاسبه کرد.
نیاز به اندازهگیری دقیق زمان
ممکن است به نظر برسد که نباید نیازی به اندازهگیریهای چنان دقیق، مثل آنهایی که تاکنون انجام شدهاند، و به طریق اولی آنهایی که قرار است با اصلاحات بعدی انجام شوند باشد؛ اما کاربردهای زیادی وجود دارد که در مورد بعضی از آنها دقتی که با فنون حاصل میشود کافی نیست. درست همانطور که در نجوم اپتیکی برای مشاهدهی امواج نوری ستارهها از تلسکوپ (نوری) استفاده میشود، در نجوم رادیویی هم بازتابندههای سهموی برای مشاهدهی امواج رادیویی به کار گرفته میشوند. متأسفانه طول موج این تابش یک میلیون بار بیشتر از طول موج نور است، بنابراین توان تفکیک تلسکوپ رادیویی، بسته به نسبت طول موج به قطر دهانهی تلسکوپ، در حدود یک میلیون بار بدتر از توان تفکیک تلسکوپ نوری است. با اینهمه، اگر دو تلسکوپ رادیویی واقع در دو طرف متقابل زمین هر دو ستارهی واحدی را رصد کنند و اگر امواج رادیوییای که وارد هر کدام میشوند کاملاً بهموقع با هم مقایسه شوند. این ترکیب معادل با تلسکوپ واحدی خواهد بود که قطر دهانهی آن برابر با فاصلهی میان این دو تلسکوپ باشد و توان تفکیک چنین مجموعهای حتی از توان تفکیک بزرگترین تک تلسکوپ نوری هم تجاوز میکند. برای همزمانی دقیق، هر یک از دو تلسکوپ رادیویی نیاز به یک ساعت فوقالعاده پایدار دارند. ساعتهای خیلی دقیق همچنین در اندازهگیری دورهی تناوب تپ اخترها (ستارههایی که تابش خود را به صورت تپهای کوتاه گسیل میکنند) و تغییر در این دورهها، که گاهی آرام و گاهی ناگهانی است، مورد نیازند. از جالبترین این تپ اخترها، تپاخترهای میلی ثانیهایاند، که با دورههای فوقالعاده پایدارشان با بهترین ساعتهای سزیمی رقابت میکنند. در واقع پایداری یکی از این تپ اخترها آنقدر زیاد است که سرانجام ممکن است به عنوان یک استاندارد زمان مناسب برای دورههای طولانی در نظر گرفته شود. تپاختر میلی ثانیهای دیگر جزئی از یک منظومهی مزدوج چرخان با چرخش سریع است که دورهی تناوب این چرخش دارد به آرامی تغییر میکنند. این تغییر را میتوان به افت انرژی در اثر تابش امواج گرانشی نسبت داد؛ و این امر نخستین گواه تجربی دال بر وجود امواج گرانشی است. با ساعتهای دقیق، اندازهگیری تغییر کمیاتی که زمانی تصور میشد ثابت باشند نیز ممکن شده است. همانطور که دیدهایم، اکنون معلوم شده است که دورهی چرخش زمین، که یک وقتی به عنوان مبنایی برای تعریف یکای زمان به کار میرفت، از زمستان به تابستان و همچنین سال به سال به نسبت چند در صدمیلیون تغییر میکند. بخشی از این تغییر منظم و بخشی دیگر غیر قابل پیشبینیاند. ساعتهای اتمی مختلف با آهنگهای متفاوت، به طور دقیق و به مدتهای طولانی، با هم مقایسه شدهاند. تا معلوم شود که آیا ممکن است تغییراتی در آهنگ نسبی آنها مشاهده شود که احتمالاً مربوط به تغییر ثابتهای بنیادی فیزیکی با زمان باشد؟ ولی چنین تغییراتی هنوز کشف نشده است. ساعت دقیق امکان یک سیستم دریانوردی ناوبری کاملاً جدید و دقیقتر، یعنی یک سیستم جهانی مکانیابی (GPS) را فراهم میآورد. تعدادی ماهواره که حامل ساعتهای اتمی دقیق هستند، علامت (سیگنال) هایی را در زمانهای معینی میفرستند، و هر ناظری که علامتها را از چهار تا از این ماهوارهها دریافت و تحلیل کند میتواند موقعیت خود را با خطای حدود 10 متر و زمان صحیح را با خطای یک صدمیلیونیم ثانیه (
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}