ساعت جهانی چیست و چگونه کار می‌کند؟

ساعت جهانی کی آغاز به کار کرد؟

 ساعت جهانی یا یوتی‌سی از اولین روز دهه ۱۹۶۰ و اندکی پس از ساخت اولین ساعت اتمی توسط لوئی اِسِن، وجود داشته است. این ساعت دقیق، نویدبخش حل مشکل چندصدساله ثانیه‌شمارها با سرعت زیاد یا خیلی کند بود.
 
قبل از دهه ۱۹۵۰، دقیق‌ترین ساعت‌ها برای حفظ زمان، از کریستال‌های کوارتز ارتعاشی استفاده می‌کردند، اما ثانیه‌ها به صورت روزانه تغییر می‌کردند. اختراع اسن از خواص کوانتومی اتم‌های سزیم برای همگام نگه داشتن کریستال‌ها استفاده کرد.
 
گفته می‌شود که در حال حاضر، بیش از ۴۰۰ ساعت اتمی بسیار پایدار، زمان را در سراسر جهان ردیابی می‌کنند و هر یک از آنها سیگنالی را به دفتر بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری در فرانسه ارسال می‌کند. این دفتر، هر ماه یک بار آنها را با هم مقایسه می‌کند تا به عدد نهایی به نام زمان بین‌المللی اتمی یا TIA برسد. هر ساعت بسته به میزان پایداری خود، در هنگام محاسبه وزن متفاوتی دریافت می‌کند.
 
زمان اتمی آنقدر دقیق است که خود زمین نمی‌تواند آن را حفظ کند. از لحاظ نظری، سیاره ما هر ۲۴ ساعت یک بار به دور محور خود می‌چرخد. اما در عمل، چرخش زمین کمی نامنظم است؛ روزبه‌روز در نوسان است و به تدریج کاهش می‌یابد.
 
بی‌نظمی در چرخش زمین به این معنی است که زمان بین‌المللی اتمی اکنون 37 ثانیه جلو است؛ به‌طوری که اگر ساعتمان را با آن تنظیم کنیم، به زودی نیمه شب برای صبحانه از خواب بیدار می‌شویم.
 
برای محاسبه این تنوع طبیعی، ساعت جهانی چرخش زمین را نیز در نظر می‌گیرد. سرویس بین‌المللی چرخش زمین و سامانه‌های مرجع  (IERS) با تماشای دور زدن ستارگان هنگام چرخش سیاره، زمان زمین را که به عنوان زمان جهانی شناخته می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. سپس سامانه‌ها این زمان را با زمان بین‌المللی اتمی ترکیب می‌کنند تا رقم نهایی را برای زمان هماهنگ جهانی بدست آورند.
 

ساعت جهانی چقدر دقیق است؟

 سرویس بین‌المللی چرخش زمین و سامانه‌های مرجع تلاش می‌کند برای جلوگیری از انحراف ساعت‌های اتمی نسبت به کاهش سرعت زمین، زمان هماهنگ جهانی و زمان جهانی را در فاصله ۰٫۹ ثانیه از یکدیگر نگه دارد. این کار شامل انجام تنظیمات منظم موسوم به «ثانیه‌های کبیسه» است.
 
اولین ثانیه کبیسه در سال ۱۹۷۲ اضافه شد و از آن زمان تاکنون ۲۶ مورد دیگر نیز وجود داشته است. در برخی از سالها، بیش از یک ثانیهٔ کبیسه وجود داشته و در بعضی از سالها هم اصلاً ثانیهٔ کبیسه وجود نداشته است. در سال ۲۰۲۰، چرخش زمین در واقع سرعت گرفت و مردم را به این فکر واداشت که آیا برای نخستین‌بار نیاز به حذف یک ثانیهٔ کبیسه داریم یا خیر.
 

ابداع زمان

 
به گزارش gsxr، انسان‌ها ده‌ها هزار سال است که زمان را اندازه‌گیری می‌کنند. ما از زمان طلوعِ گونهٔ خود، از چرخش زمین برای پیگیری روز استفاده کرده ایم؛ ابتدا با چشم و سپس با ساعت‌های آفتابی. بزرگترین چالش ما در هنگام شروع این بود که بتوانیم زمان را در تاریکی تشخیص دهیم، به خصوص در اعماق زمستان که روزها کوتاه بودند. راهکارها شامل اندازه‌گیری جریان شن یا آب یا ردیابی طول شمع در حال سوختن بود.
 
نخستین ساعت‌های مکانیکی بعد از رنسانس ظاهر شدند. این ساعت‌ها برای حرکت دادن چرخ‌ها برای زنگ زدن و نشان دادن ساعت، از وزنه استفاده می‌کردند. بعدها، مخترعان فنرها را با را با جاذبه، و چرخ‌های چرخان را نیز با آونگ‌های چرخان جایگزین کردند. سرانجام در قرن بیستم، نخستین ساعت‌های کوارتزی اختراع شدند و زمینه را برای پیدایش زمان اتمی هموار ساختند.
 

ساعت‌های اتمی چگونه کار می‌کنند؟

 
ساعت‌ها برای نگه داشتن زمان از نوسانگرها استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها رفتار دوره‌ای دارند و با ریتمی منظم مانند آونگ به جلو و عقب می‌روند. هرچه سرعت چرخش بیشتر باشد، ساعت دقیق‌تر است.
 
رایج‌ترین نوسان‌ساز ساعت، کریستال کوارتز است که هزاران بار در ثانیه ارتعاش می‌کند و موجی را تولید می‌نماید که در یک الگوی قابل پیش‌بینی بالا و پایین می‌رود؛ اما مشکل اینجاست که کاملاً پایدار نیست.
 
کارهای حساس به زمان مانند حرکت فضاپیماها، نیازمند ساعت‌هایی هستند که بتوانند زمان را تا میلیاردم ثانیه اندازه‌گیری کنند. اما ساعت‌های کوارتزی نمی‌توانند چنین سطحی از دقت ارائه دهند.
 
به گزارش gsxr، فیزیکدانان برای حل این مشکل، کریستال‌های کوارتز را در رزونانس طبیعی اتم‌ها قفل کرده‌اند. هنگامی که اتم‌ها در معرض فرکانس‌های دقیق قرار می‌گیرند، حالت انرژی خود را تغییر می‌دهند. تشخیص این تغییرات امکان نظارت بر ارتعاش کریستال‌های کوارتز را فراهم می‌کند. بنابراین، وقتی ساعت‌های کوارتز از زمان خارج می‌شوند، می‌توانیم فوراً آنها را اصلاح کنیم.