Скромная секунда: теперь мы можем измерить ее с невероятной точностью, она постоянно колеблется, удлиняется и застревает в 1957 году. Это все из-за Луны

Точность оптических атомных часов последнего поколения меньше одной десятой секунды возраста Вселенной (13,8 миллиарда лет). Так почему же они до сих пор измеряют длину секунды, как если бы это был 1957 год? Именно из-за Луны до относительно недавнего времени в истории нашего вида мы размышляли и вычисляли время по астрономии. Времена года повторяются ежегодно, поскольку наша планета вращается вокруг солнца; Луна давала нам месячные периоды, когда вращалась вокруг Земли; И дни наши проходили размеренно с вращением Земли вокруг своей оси.

Затем обелиски и солнечные часы позволили нам разделить день на часы и даже минуты. Затем изобретение телескопов позволило нам получать более точное время по звездам, а более точные атомные часы позволили нам определять наше собственное время на Земле, независимо от небес.
1 час = 0,00069444 или 1/1440 среднего солнечного дня.
1 секунда = 0,00001157 или 1/86,400 средних солнечных суток, Джордж Дарвин (1945-1912), сын известного натуралиста Чарльза Дарвина, был юристом, физиком и астрономом. Он заинтересовался определением возраста Земли и состава Луны. С этой целью он изучал приливы и влияние приливного трения на Землю и Луну.

Приливная выпуклость вместе с вращением Земли и Луны замедляет первую и ускоряет вторую (Фото www.scienceabc.com)

И он узнал, что Луна была не просто движущейся водой, но была ответственна за то, что наша планета была примерно на четыре метра больше на экваторе.
В книге, опубликованной в 1899 году, Дарвин изложил свою «теорию деления», согласно которой Луна отделилась от все еще в значительной степени расплавленной Земли, сформировав Землю более 50 миллионов лет назад (на самом деле это было около 4,5 миллиардов лет назад) и все еще вокруг . Отдаляясь от Земли: В то время как теория деления Дарвина об удалении Луны от Земли широко высмеивается, его расчеты были подтверждены 70 лет спустя, в 1969 году. Аполлон 11 Астронавты разместили на Луне зеркала, чтобы лазеры могли отражаться от Земли и синхронизироваться. Они доказали, что Луна удаляется от Земли со скоростью 3,8 см в год (примерно с такой же скоростью, как наши ногти).

Притяжение Луны к Земле и трение о приливах и отливах замедляют вращение Земли (и продолжительность наших суток) примерно на миллисекунду каждые 100 лет. Это также означает, что продолжительность дня сегодня короче, чем в прошлом, и будет короче в будущем. Мы определяем день как 24 часа, включая 1440 минут (60 х 24) и 86 400 секунд (60 х 1440), поэтому, если дни становятся длиннее, все эти приращения (часы, минуты и секунды) медленно, но верно становятся длиннее. ну, поскольку это вызывает Приливы, вызванные Луной, замедляют Землю и удлиняют наши дни, Луна удаляется от Земли, потому что те же самые приливы заставляют ее ускоряться.

Относительные скорости вращения Земли и Луны, а не измерения (изображение предоставлено Science ABC)

Вот почему. Гравитация Луны притягивает к ней большой объем воды, вызывая массивную выпуклость в океане на стороне, обращенной к Луне (и на другой стороне тоже, но мы можем исключить это здесь). Поскольку Земля вращается относительно быстро — за 24 часа по сравнению с 27,3 днями на Луне — эта быстрая выпуклость воды постоянно немного опережает орбиту Луны, заставляя Луну двигаться немного быстрее. Наоборот, тот же эффект замедляет Землю, а это означает, что через миллиарды лет продолжительность дня на Земле и продолжительность месяца будут одинаковыми: около 47 дней от нашего сегодняшнего дня. Несколько сотен лет назад точное время на Земле и продолжительность наших дней определяли по положению звезд с помощью телескопов. По мере того, как телескопы становились все более мощными, мы могли более точно измерять положение звезд, что позволяло нам измерять время с большей точностью, а затем появились атомные часы. И все изменилось.

Первые в мире атомные часы, использующие молекулу аммиака в качестве источника вибраций (Фото предоставлено Национальным бюро стандартов)

Все меняется, не смотрите вверх при измерении времени, большая точность достигается за счет большего количества колебаний в секунду (Гц). Маятник длинных часов может колебаться один раз в секунду (1 Гц), в то время как колесо баланса современных механических наручных часов обычно колеблется примерно четыре раза в секунду (4 Гц). Для сравнения, кристалл кварцевых часов колеблется более 30 000 раз в секунду (обычно 32 768 Гц).

Но что перевернуло время с ног на голову, так это изобретение атомных часов, которые регулировались частотой перехода атомов цезия между двумя состояниями. Эти колебания обеспечили более девяти триллионов раз в секунду, то есть 9 192 631,770 Гц.

Физики Национального института стандартов и технологий Стив Джеффертс (на переднем плане) и Том Хефнер у цезиевого фонтана с атомными часами NIST-F2, которые в 2014 году установили гражданский стандарт времени США (фото предоставлено NIST)

Чтобы сделать атомные часы, ученые возбудили атомы цезия микроволнами в вакууме. Затем они экспериментировали с длиной волны (частотой) микроволн, чтобы выяснить, что их больше всего волнует, что определяет естественную резонансную частоту атома. В случае цезия-133 частота составляла примерно 9 192 631 770 раз в секунду (примерно 9,2 миллиарда Гц), а продолжительность секунды, измеренная в экспериментах, основывалась на средней продолжительности дня (определяемой по наблюдениям за звездами), когда эксперименты были выполнены. бегал. Именно в 1957 году атомные часы перевернули обсерватории с ног на голову: вместо того, чтобы астрономы использовали положение звезд для расчета точного времени, высокоточное время атомных часов позволило обсерваториям более точно определять положение звезд.

UTC (Международное скоординированное время) рассчитывается по среднему значению более чем 400 атомных часов по всему миру.

Обратная сторона Луны, когда она проходит между космическим кораблем DSCOVR и Землей на расстоянии 1600 миллионов километров (изображение предоставлено НАСА)

Есть два способа определить день: астрономически, измеряя время от полудня до полудня, и по часам. Разница между ними в том, что длина первого колеблется, а длина второго остается постоянной. То же самое касается секунд, затем общая теория относительности, а затем, как и предсказывал Эйнштейн, гравитация и скорость. Чем меньше гравитация, тем быстрее время. И чем быстрее вы идете, тем медленнее идет время. Спутники GPS имеют собственные атомные часы, которые в день идут примерно на 38 микросекунд быстрее, чем если бы они находились на Земле. Он будет работать на семь секунд в день медленнее (относительно стационарных часов на Земле) из-за своей более высокой скорости, но замедляться на 45 микросекунд в день из-за меньшей гравитации. Без компенсации общей теории относительности наши спутниковые навигационные системы выходили бы из строя на расстояние до десяти километров в день. Единицы измерения через Международное бюро мер и весов (BIPM), базирующееся недалеко от Парижа. Офис организует семь основных единиц: время, длину, массу, электрический ток, температуру, силу света и количество материи.

Ссылка на старый метр: когда Международная система единиц (СИ) была впервые объявлена ​​​​в 1960 году, она включала новое определение шкалы, которая определялась точным числом длин волн данного излучения лампы Krypton 86, исключая физический счетчик. ссылка на дату

Эти стандарты постоянно уточняются. В 2018 году, например, были утверждены новые определения килограмма (массы), ампера (силы тока), кельвина (температуры) и моля (количества вещества), и теперь у нас есть новое поколение оптических атомных часов, которые эффективно колеблются в 500 трлн. раз в секунду (500 триллионов Гц), а дроби можно масштабировать до 19 знаков после запятой. Эти часы отстают всего на десятую долю секунды за все время существования Вселенной.

Оптические атомные часы на сетчатке глаза в Токийском университете (изображение предоставлено Katori et al.)

Оптические атомные часы могут измерять замедление времени (ускорение или замедление времени из-за гравитации и/или скорости) между двумя часами, расположенными всего в 30 сантиметрах над другими (около фута)! Благодаря оптическим атомным часам в ближайшие несколько лет, кроме моля, все параметры будут определяться временем, даже килограмм. Например, вместо физического эталонного стержня длиной один метр шкала будет определяться как расстояние, которое свет проходит в вакууме за одну — 299 792 458 миллисекунд. Способные измерять время более точно, возвращаясь к 1957 году, рассмотрим следующее:
1 год = 365,25 дня
1 час = 0,00069444 или 1/1440 среднего солнечного дня.
1 секунда = 0,00001157 или 1/86,400 среднего солнечного дня.
Мне кажется, что здесь отсутствует термин: 0,0006944 Что, как и все в природе, все меняется. Точно так же, как Луна медленно удаляется от Земли на других орбитах, Земля точно так же медленно удаляется от Солнца. Наши дни увеличиваются примерно на 1/75 000у Со второго года. Около 1,4 миллиарда лет назад, когда единственной жизнью на Земле были первобытные водоросли, день (от полудня до полудня) был меньше 19 часов. Луна тогда казалась намного больше в ночном небе, поскольку она находилась всего в 341 000 километров (212 000 миль) от Земли по сравнению (в среднем) с 385 000 километров (240 000 миль) сегодня.

Кровавая Луна во время полного лунного затмения с Земли 15 апреля 2014 г.

Примечательно, что, как и в случае с изменением климата, вращение Земли замедляется только в очень длительных масштабах времени; Бывают годы, когда оно идет быстрее, и годы, когда оно замедляется, но в долгосрочной перспективе оно замедляется, так что продолжайте думать: если мы по-прежнему делим день на 24 часа, каждый час на 60 минут, а каждую минуту на 60 секунд, это означает, что чем длиннее становятся дни. С каждым годом (в среднем) звездная секунда становится длиннее.

Поскольку этот процесс очень медленный, когда мы начали измерять время на Земле по механическим (и даже кварцевым) часам, крошечные расхождения были слишком незаметны, чтобы беспокоиться о них или принимать во внимание. Но как только атомные часы заменили вращение Земли относительно звезд в качестве стандартной точки отсчета, секунды стали постоянным отсчетом, а не тем, который рассчитывается по солнцу и звездам. Официальная продолжительность секунды установлена ​​на уровне 1/86 400 средней дневной.

GaryG и Alexa Meade «Смотрите время с Alexa» (изображение предоставлено Alexa Meade)

Второй день был первоначально измерен атомными часами как 1/86,400 среднего дневного значения. Обычный день 1957 года.

Теперь, с введением сверхточных оптических атомных часов, мы можем более точно измерять замедление вращения дня и сокращение длины каждого дня. Но секунды сегодняшнего (и завтрашнего) не будут такими длинными, как наши дни, и останутся такими же длинными, какими были в 1957 году.

Это причина существования високосных секунд.

В следующий раз, когда вы посмотрите на луну, помашите рукой: она медленно удаляется.

Вы также можете наслаждаться:

Все золото на Земле появилось в результате большого взрыва (не того) в открытом космосе.

Urwerk AMC: Atomic (часы) с механическим управлением — это версия часов Abraham Louis Breguet Sympathique 21-го века, но намного лучше (счетчик Jaeger не входит в комплект)

Уравнение времени: что это такое и в чем привлекательность часов? Филипп Дюфур объясняет разницу между (гражданским) временем, которое вы видите на своих часах, и реальным солнечным временем (видео)

Стать часовым искусством: мой трансформационный опыт с Alexa Mead и Audemars Piguet Equation of Time

Leave a Comment