Мерење немерљивог
Време је једини ресурс који је свака цивилизација покушала да дефинише, а током већег дела људске историје тај напор је био изненађујуће непрецизан. Фармеру је било потребно да зна годишње доба, свештенику час ритуала, морнару тренутак плиме. Ипак, алати доступни за одговоре на ова питања кретали су се од сенке на тлу до капајуће тегле са водом. Прича о мерењу времена је прича о човечанству које се полако бори са клизавом апстракцијом, претварајући је у све финије бројеве, прелазећи са справа тачних до најближег сата на сатове који неће изгубити ни секунду током живота свемира.
Оно што следи је кратка историја тог путовања, од сунчаних сатова старог Египта до оптичких решеткастих сатова који зује у данашњим лабораторијама.
Сенке и сунчева светлост: Први сатови
Најранији мерачи времена гледали су горе, а не доле. Док је сунце прелазило небом, сенка коју је бацало кретала се по тлу у предвидљивом луку, а сваки високи предмет могао је да послужи као показивач. Стари Египћани су подизали високе обелиске још око 3500. године пре нове ере, а њихове покретне сенке делиле су дневну светлост на препознатљиве делове. Отприлике до 1500. године пре нове ере, Египћани су користили преносиве сатове са сенком — хоризонталну шипку са подигнутим попречним делом који је бацао сенку дуж означене скале.
Ови уређаји су се развили у сунчани сат, који су Грци и Римљани усавршили схватањем да бацач сенке, или гномон, мора бити нагнут ка небеском полу да би сати били доследни током године. Сунчани сатови су били елегантни и нису захтевали одржавање, али су делили два очигледна недостатка: били су бескорисни ноћу и беспомоћни под облацима. Испоставило се да време не може да зависи од временских прилика.
Вода која мери време
Решење је било мерити нешто поузданије од сунчеве светлости: стабилан проток воде. Водени сат, или клепсидра (грчки за "крадљивац воде"), први пут се појавио у Египту за време владавине Аменхотепа III у 14. веку пре нове ере. У свом најједноставнијем облику, вода је капала готово константном брзином из обележене посуде, а ниво који је опадао означавао је протекле сате.
Различите културе су развијале ову идеју у различитим правцима. У Грчкој, инжењери су додали пловке, зупчанике и бројчанике, а клепсидра је постала стални део судова, где је мерила време говора беседника. У Кини, технологија је достигла изузетне висине. Године 1088. нове ере, полихистор Су Сонг је довршио водени астрономски сат-кулу високу преко десет метара, који је укључивао механизам за ослобађање који је испуштао воду у одмереним импулсима да би покретао механизам — што се може сматрати концептуалним претком механичких сатова који су уследили.
Водени сатови су ослободили мерење времена од сунца, омогућавајући бројање сати током ноћи и по сваком времену. Али вода се смрзава, испарава и тече брже када је посуда пуна него када је скоро празна. Тачност је остала тврдоглаво недостижна.
Механичка револуција
Одлучујући преокрет догодио се у средњовековној Европи. Негде крајем 13. века, непознати мајстор — изум нема једног именованог проналазача — осмислио је вергентни механизам за ослобађање, и са њим је рођен механички сат.
Принцип је био генијалан. Тег који пада обезбеђивао је стабилну снагу, али трик је био у томе да се та снага ослобађа у контролисаним корацима, уместо да се пусти да оде одједном. Вергентни механизам за ослобађање користио је хоризонталну шипку (фолиот) са теговима на сваком крају која се љуљала напред-назад, захватајући и ослобађајући зупчасти точак при сваком замаху. Свака осцилација омогућавала је да се зупчасти пренос помери за један, одмерени корак. Ово откуцавање — звучни потпис механизма за ослобађање — вероватно је дефинишући звук механичке цивилизације.
Ови рани сатови, постављени у катедралне и градске куле широм 14. века, били су примитивни по савременим стандардима, често одступајући и по петнаест минута или више дневно. Често уопште нису имали бројчаник, постојали су само да би ударили у звоно (реч clock потиче од латинског clocca, што значи звоно). Ипак, представљали су нешто дубоко: по први пут, машина је мерила време сопственим унутрашњим кретањем, потпуно независно од сунца, воде или годишњег доба.
Хајгенс и клатно
Скоро четири века, механички сатови су остали фрустрирајуће нетачни, јер фолиот није имао сопствени природни ритам — љуљао се брзо или споро колико га је механизам гурао. Преломни тренутак дошао је 1656. године, када је холандски научник Кристијан Хајгенс направио први практични сат са клатном.
Хајгенс се ослонио на Галилејево раније запажање да се клатно дате дужине љуља са изузетно константним периодом без обзира на ширину замаха. Користећи ту природну правилност као временски елемент сата, Хајгенс је готово преко ноћи трансформисао поље. Тамо где су најбољи механички сатови грешили за много минута дневно, његови сатови са клатном убрзо су били тачни до око петнаест секунди — а каснија усавршавања смањила су грешку на мање од једне секунде дневно.
Скок је био запањујући: отприлике стоструко побољшање у једном потезу. Сатови са клатном остали су најтачнији мерачи времена на свету наредних 270 година, стојећи у опсерваторијама и дефинишући званично време нација.
Проблем дужине
Тачни сатови нису били само научна радозналост; они су држали кључ за један од великих практичних изазова тог доба — одређивање положаја на мору. Географска ширина брода могла се очитати са висине сунца или звезда, али географска дужина није имала тако лако решење. Пошто се Земља окреће за 15 степени дужине сваког сата, морнар који је знао тачно време на фиксној референтној тачки и упоредио га са локалним подневом на броду, могао је израчунати колико су далеко на исток или запад отпловили. Проблем је био што ниједан сат није могао да одржава тачно време на броду који се љуља, са променљивом температуром и сланим спрејом. Клатно је било бескорисно на палуби која се њише.
Улози су били смртоносни. Бродови су налетали на гребене и богатства су тонула због недостатка одговора, а 1714. године британски Парламент је понудио огромну награду за поуздано решење. Улази Џон Харисон, самоуки столар и часовничар из Јоркшира који је посветио свој живот овом проблему. Током деценија направио је серију поморских хронометара, кулминирајући својим ремек-делом, H4, довршеним 1759. године. Компактан и драгуљаст, користио је равнотежни точак који брзо откуцава, имун на кретање брода. На путовању за Јамајку 1761. године, H4 је изгубио само око пет секунди током 81 дана — тачност која се чинила готово чудесном. Харисон је решио проблем дужине и, чинећи то, омогућио поуздану глобалну навигацију у наредним вековима.
Кварц: Време без зупчаника
Следећа револуција је потпуно напустила механичко кретање. Године 1927, инжењери Ворен Марисон и Џ. В. Хортон у Бел Телефон Лабораторисама направили су први кварцни сат. Када се електрична струја примени на кварцни кристал, он вибрира на изузетно стабилној фреквенцији — својство које се назива пиезоелектрицитет. Бројањем тих вибрација електронски, сат је могао да мери време без клатна које се љуља и без механизма за ослобађање који би се истрошио.
Кварцни сатови су брзо надмашили најбоље инструменте са клатном, а до средине 20. века постали су нови лабораторијски стандард. Њихов прави тријумф, међутим, била је минијатуризација. До 1970-их, кварцни механизми су постали јефтини и довољно мали да стану у ручни сат, стављајући мерење времена тачније од било ког сата из опсерваторије из 19. века на зглобове обичних људи. Кварцни сат на вашој руци данас је директан потомак тог пробоја из 1927. године.
Атомско доба
Чак и кварц има границе, јер кристали благо варирају са температуром и старењем. Крајња референца морала је доћи из саме природе — из непроменљивог понашања атома. Године 1955, Луис Есен и Џек Пери у Националној физичкој лабораторији у Уједињеном Краљевству направили су први тачни цезијумски атомски сат. Мерио је време помоћу резонантне фреквенције атома цезијума-133, који апсорбују и емитују микроталасно зрачење на фреквенцији толико доследној да је у суштини фиксирана законима физике.
Атомски сат је био толико бољи од свега пре њега да је приморао на поновно дефинисање самог времена. Миленијумима је секунда била дефинисана Земљином ротацијом — делом дана. Али Земља је климав, постепено успоравајући мерач времена. Стога је 1967. године међународна заједница формално редефинисала SI секунду као тачно 9.192.631.770 осцилација зрачења атома цезијума-133. По први пут, основна јединица времена била је одвојена од небеса и утемељена на атому.
Прецизност атомског времена убрзо је преобликовала и друге јединице. Године 1983, метар је редефинисан као растојање које светлост пређе у вакууму за 1/299.792.458 секунди. Пошто се брзина светлости сада третира као фиксна константа природе, сама удаљеност је дефинисана у терминима времена. Та константа је заиста огромна — светлост прелази приближно 1,08 милијарди km/h (Brzina svetlosti u vakuumu u kilometar na sat) или око 671 милион mph (Brzina svetlosti u vakuumu u milja/čas) — због чега је део једне секунде довољан да покрије цео метар и много даље.
Будућност: Сатови за доба свемира
Мерење времена није стало са цезијумом. Данашња граница припада оптичким решеткастим сатовима, који хватају хиљаде атома — често стронцијума или итербијума — у мрежу ласерске светлости и читају њихове осцилације на оптичким, а не микроталасним фреквенцијама. Пошто откуцавају стотинама хиљада пута брже од цезијума, могу се мерити са запањујућом прецизношћу.
Најбољи од ових сатова су толико стабилни да не би добили нити изгубили ни једну секунду током милијарди година — дуже од тренутне старости свемира. Таква тачност није пука демонстрација. Довољно је прецизна да открије ситно успоравање времена које је предвидео Ајнштајн када се сат подигне само неколико центиметара више у Земљиној гравитацији, отварајући врата коришћењу сатова као сензора за геологију, навигацију и фундаменталну физику. Очекује се да ће у наредним годинама доћи до поновног дефинисања секунде заснованог на оптичком прелазу уместо на цезијуму.
Од сенке до временске зоне
Од сенке обелиска до решетке заробљених атома, лук мерења времена се немилосрдно савијао ка прецизности. Сваки скок — механизам за ослобађање, клатно, хронометар, кварц, атом — довео је свет у чвршћу синхронизацију. Та прецизност је невидљива скела испод модерног живота: координише сателите, обележава време финансијских трансакција и одржава интернет у кораку преко континената.
Она је такође основа нечега што користите свакодневно. Уредно организоване vremenske zone које вам омогућавају да закажете позив преко глобуса или ухватите лет на другој страни света могуће су само зато што се сви можемо сложити, до делића секунде, колико је тачно време.
Често постављана питања
Који је први уређај коришћен за мерење времена?
Најранији мерачи времена били су засновани на сенци. Староегипатски обелисци, подигнути још око 3500. године пре нове ере, бацали су покретне сенке које су делиле дан, а до око 1500. године пре нове ере Египћани су користили преносиве сатове са сенком. Они су еволуирали у сунчани сат, који су усавршили Грци и Римљани. Њихово ограничење је било очигледно: радили су само по дану и ведром небу.
Ко је изумео сат са клатном?
Холандски научник Кристијан Хајгенс направио је први практични сат са клатном 1656. године, ослањајући се на Галилејево запажање да се клатно љуља са константним периодом. Побољшао је тачност отприлике стоструко, са грешке од много минута дневно на секунде, а сатови са клатном остали су најтачнији мерачи времена на свету преко 250 година.
Како су сатови помогли морнарима да пронађу свој положај?
Пошто се Земља ротира за 15 степени географске дужине сваког сата, морнар који зна тачно време на фиксној референтној тачки може га упоредити са локалним подневом на броду да би израчунао географску дужину. Поморски хронометар H4 Џона Харисона, довршен 1759. године, одржавао је време довољно тачно на мору да реши овај "проблем дужине", изгубивши само око пет секунди током путовања од 81 дана.
Како се секунда дефинише данас?
Од 1967. године, SI секунда је дефинисана као тачно 9.192.631.770 осцилација зрачења које емитује атом цезијума-133. Ово је заменило старију дефиницију засновану на Земљиној ротацији, која је била превише неправилна. Први тачни цезијумски атомски сат направили су Луис Есен и Џек Пери 1955. године.
Који је најтачнији сат икада направљен?
Најтачнији сатови данас су оптички решеткасти сатови, који хватају атоме попут стронцијума или итербијума у ласерској светлости и читају њихове осцилације на оптичкој фреквенцији. Најбољи од њих су довољно стабилни да не добију нити изгубе ни једну секунду током милијарди година — дуже од старости свемира.