Ar kada susimąstėte, koks yra pats sudėtingiausias, brangiausias ir technologiškai pažangiausias prietaisas, kokį tik Jums priklauso? Tai ne Jūsų automobilis. Tai ne Jūsų kompiuteris. Tai net ne Jūsų namas.
Tai mažas prietaisas Jūsų kišenėje – Jūsų išmanusis telefonas. Ir ne dėl ekrano ar procesoriaus, o dėl vienos, atrodytų, paprastos funkcijos: jis rodo tikslų laiką.
Žmonijos manija matuoti laiką yra viena seniausių ir atkakliausių siekiamybių. Tai kelionė, kuri prasidėjo nuo paprasčiausios lazdos, įsmeigtos į žemę, ir atvedė mus prie prietaisų, kurie yra tiesiogine prasme tikslesni už pačios planetos sukimąsi. Rašytojo Theodore Gray knyga „Kaip veikia daiktai“ mums primena, kad būtent laikrodžiai buvo pirmosios išties geros mašinos, kurias sukūrė žmonija.
Tai istorija apie tai, kaip mes perėmėme kontrolę iš saulės ir žvaigždžių, kad sinchronizuotume savo pasaulį sekundės tikslumu.
Pirmasis laikrodis: šešėlis smėlyje
Tūkstančius metų laikas buvo paprastas. Saulė patekėjo, saulė nusileido. Vidurdienis buvo tada, kai saulė buvo aukščiausiai. Pirmasis laikrodis buvo ne daugiau nei lazda, įsmeigta į žemę – saulės laikrodis. Jis veikė puikiai. Kol saulė švietė.
Bet ką daryti naktį? O ką daryti apsiniaukusią dieną?
Žmonės išrado alternatyvas. Smėlio laikrodžiai matavo laiką byrančiu smėliu (beje, juos kalibruodavo ne skylutę tobulai išgręžiant, o tiesiog pripilant tiek smėlio, kiek nubyrėdavo per nustatytą laiką). Vandens laikrodžiai veikė panašiu principu su lašančiu vandeniu. Žvakių laikrodžiai matavo laiką pagal tai, kiek žvakės sudegdavo.
Tačiau visų šių metodų problema buvo ta, kad jie tebuvo laikmačiai. Jie galėjo išmatuoti laiko trukmę (pvz., vieną valandą), bet negalėjo pasakyti, kuri dabar valanda be nuolatinio lyginimo su tuo vieninteliu tikruoju etalonu – saulės šešėliu.
Šimtmečius tiksliausias laikas pasaulyje buvo Grinvičo vidutinis laikas (GMT), nustatomas Karališkojoje observatorijoje Londone. Kiekvieną dieną 13:00 val. nuo observatorijos stogo nukrisdavo didelis raudonas „laiko kamuolys“, leisdamas visiems Temzės laivų kapitonams ir miestiečiams tiksliai nusistatyti savo chronometrus. Mes buvome visiškai priklausomi nuo Žemės sukimosi.
Problema, verta milijonų: kaip rasti save vidury vandenyno?
Viskas pasikeitė, kai laikrodžių prireikė ne tik susitarti dėl susitikimo laiko, bet ir tam, kad… išgyventum.
XVIII amžiuje didžiausia problema jūreivystėje buvo ilgumos nustatymas. Žinoti, kiek esate į šiaurę ar pietus (platuma), buvo lengva – tereikėjo išmatuoti saulės ar Šiaurinės žvaigždės aukštį. Bet kaip žinoti, kiek esate į rytus ar vakarus?
Atsakymas buvo laikas. Kadangi Žemė sukasi 15 laipsnių per valandą, jei tiksliai žinotumėte, kiek valandų yra Jūsų išvykimo uoste (pvz., Londone) ir palygintumėte tai su vietiniu vidurdieniu (kai saulė Jūsų laive yra aukščiausiai), galėtumėte apskaičiuoti savo ilgumą.
Bėda? Tam reikėjo laikrodžio, kuris išlaikytų Londono laiką mėnesių mėnesius trunkančioje kelionėje, siūbuojamas audringoje jūroje, drėgname ir sūriame ore.
Geriausi to meto laikrodžiai buvo švytuokliniai. Jie buvo stebėtinai tikslūs sausumoje. Tačiau laive, kuris nuolat siūbuoja, švytuoklė paprasčiausiai neveikia. Britanijos vyriausybė pasiūlė milžinišką prizą (šiandienos pinigais – milijonus eurų) tam, kas išspręs šią problemą.
Ir tada pasirodė Johnas Harrisonas.
Šis savamokslis stalius dešimtmečius praleido kurdamas tai, kas tapo viena didžiausių mechanikos pergalių. Jo jūrinis chronometras H1 (ir vėlesni modeliai) buvo ne švytuoklinis. Vietoj to, jis naudojo sudėtingą spyruoklių ir balansinio rato (angl. balance wheel) sistemą – mechanizmą, kuris svyruoja pats savyje ir nėra veikiamas laivo siūbavimo.
Harrisonas sukūrė nešiojamą laikrodį, kuris per kelis mėnesius jūroje rodė paklaidą tik keliomis sekundėmis. Jis išsprendė ilgumos problemą ir pakeitė pasaulį. Beje, tas pats balansinio rato principas, kurį jis ištobulino, iki pat šių dienų yra naudojamas visuose mechaniniuose rankiniuose laikrodžiuose (taip, ir tame 30 000 eurų kainuojančiame „Rolex“).
Kvarco revoliucija: kai pigesnis tapo tūkstančius kartų geresnis
Mechaniniai laikrodžiai tapo neįtikėtinai sudėtingi ir gražūs, bet jie vis tiek turėjo ribas. Jie buvo brangūs, jautrūs smūgiams, o jų tikslumą ribojo fizinių detalių trintis ir temperatūros pokyčiai.
Ir tada, XX amžiaus antroje pusėje, įvyko revoliucija. Paaiškėjo, kad pigus, masinės gamybos laikrodis gali būti tūkstančius kartų tikslesnis už patį brangiausią rankų darbo šveicarišką mechanizmą.
Paslaptis – kvarco kristalas.
Štai kaip tai veikia:
- Kvarcas pasižymi pjezoelektriniu efektu: kai jį suspaudi, jis generuoja elektros impulsą. Ir atvirkščiai – kai paleidi per jį elektrą, jis suvibruoja (šiek tiek pakeičia formą).
- Jei išpjausite kvarco kristalą mažos kamertoninės šakutės forma ir paleisite per jį srovę iš baterijos, jis pradės vibruoti.
- Ir čia slypi magija: jis vibruoja ne bet kaip, o neįtikėtinai stabiliu, tiksliu dažniu. Dauguma laikrodžių kristalų yra sukurti vibruoti 32 768 kartus per sekundę.
Kodėl toks keistas skaičius? Nes tai yra 215 (du penkioliktuoju laipsniu). Maža elektroninė mikroschema, vadinama binariniu dalikliu, paima tą 32 768 Hz signalą, padalina jį iš dviejų (gauna 16 384), vėl iš dviejų (8 192) ir taip kartoja 15 kartų, kol gale gauna tobulai tikslų 1 impulso per sekundę signalą.
Šis vienas impulsas per sekundę ir yra tai, kas verčia Jūsų kvarcinio laikrodžio sekundinę rodyklę „šoktelėti“ arba keičia skaičius skaitmeniniame ekrane. Tai genialiai paprasta ir pigu. Net pats prasčiausias 5 eurų vertės kvarcinis laikrodis yra tikslesnis už bet kurį Harrisono šedevrą.
Momentas, kai žmonija aplenkė planetą
Mes turėjome saulės laikrodžius, tada mechaninius, tada kvarcinius. Bet visi jie vis dar turėjo būti „nustatyti“ pagal Žemės sukimąsi (Grinvičo laiką). Mes vis dar buvome pririšti prie savo planetos šešėlio.
Iki 1955 metų.
Tais metais buvo sukurtas pirmasis cezio atominis laikrodis. Ir tada mes supratome kai ką sukrečiančio: mūsų naujieji laikrodžiai buvo tikslesni už pačią Žemę.
Paaiškėjo, kad Žemė yra gana prastas laikrodis. Jos sukimasis nėra stabilus:
- Ji lėtėja: Dėl Mėnulio potvynių ir atoslūgių trinties, kiekviena diena yra vidutiniškai 0.00000005 sekundės ilgesnė už praėjusią. Per 100 metų para pailgėja apie 2 milisekundėmis.
- Ji svyruoja: Sezoniniai pokyčiai (pvz., kai vanduo išgaruoja iš vandenynų ir susikaupia sniego pavidalu ašigaliuose) keičia planetos masės pasiskirstymą ir šiek tiek pakeičia jos sukimosi greitį (panašiai kaip čiuožėjas, kuris ištiesia rankas, kad suktųsi lėčiau).
- Ji dreba: Didžiuliai žemės drebėjimai, kaip tas 2004 m. Indijos vandenyne, gali fiziškai perstumti pakankamai masės, kad akimirksniu pakeistų paros ilgį keliomis mikrosekundėmis.
Nuo 1955-ųjų mes nustojome derinti savo laikrodžius prie Žemės. Mes pradėjome matuoti, kiek Žemė vėluoja nuo mūsų laikrodžių.
Tikroji sekundės kaina
Šiandien viena sekundė nebėra apibrėžiama kaip 1/86400-oji paros dalis. Oficialus mokslinis apibrėžimas yra kur kas tikslesnis:
„Sekundė yra trukmė, lygi 9 192 631 770 periodams spinduliuotės, kuri atitinka šuolį tarp cezio 133 atomo pagrindinės būsenos dviejų hipersmulkiųjų lygmenų.“
Sudėtinga? Paprasčiau tariant: mes radome fundamentalų, nekintantį virpesį atomo viduje ir susitarėme jį laikyti laiko etalonu.
Tarptautinis atominis laikas (TAI) yra tobulas, bet jis pamažu tolsta nuo mūsų saulėtos paros (nes Žemė lėtėja). Todėl mes naudojame Koordinuotąjį universalųjį laiką (UTC). UTC veikia atominiu tikslumu, bet kas kelerius metus mes prie jo dirbtinai pridedame vieną „keliamąją sekundę“ (angl. leap second), kad leistume lėtėjančiai Žemei mus pasivyti.
Absoliutus laikas Jūsų kišenėje
Taigi, kaip visa ši atominė fizika atsiduria Jūsų kišenėje?
Jūsų išmanusis telefonas turi vidinį kvarcinį laikrodį, bet jis nėra itin tikslus ir per dieną gali „nubėgti“ kelias sekundes. Tikroji magija – nuolatinis sinchronizavimas.
Kai kurie laikrodžiai naudoja radijo signalus (kaip WWVB stotis Kolorade), kurie transliuoja atominį laiką. Bet net ir tai turi paklaidą – radijo bangoms reikia laiko, kad pasiektų Jūsų laikrodį (šviesa ir radijo bangos per sekundę nukeliauja apie 300 000 km, todėl per Atlantą keliaujantis signalas vėluos keliasdešimt milisekundžių).
Jūsų telefonas naudoja kai ką daug geresnio: GPS (Globalią padėties nustatymo sistemą).
GPS palydovai yra ne tik navigacijos įrankiai. Kiekvienas iš jų savyje turi po kelis borto atominius laikrodžius. Kad nustatytų Jūsų buvimo vietą, Jūsų telefonas turi gauti signalus iš mažiausiai keturių palydovų ir apskaičiuoti tikslią trukmę, per kurią kiekvienas signalas atkeliavo iki Jūsų. Kadangi signalai keliauja šviesos greičiu, šie skaičiavimai turi būti atliekami nanosekundžių (milijardųjų sekundės dalių) tikslumu.
Atlikdamas šią trianguliaciją, Jūsų telefonas ne tik išsprendžia lygtį „Kur aš esu?“, bet ir „Koks dabar yra absoliutus UTC laikas, ištaisius visus signalo vėlavimus?“
Taigi, kai pažiūrite į savo išmanųjį, Jūs matote ne tik vietinį laiką. Jūs matote tiesioginę transliaciją iš tiksliausių laikrodžių, kokius tik žmonija yra sukūrusi, skriejančių orbitoje virš Jūsų galvos.
Kelionė nuo lazdos smėlyje iki atomo virpesio baigėsi. Mes nebesame laiko stebėtojai; mes tapome jo šeimininkais.
