AWANS INFORMACJE Dla nauczyciela Dla ucznia LOGOWANIE


Katalog

Mieczysław Warzyński
Fizyka, Artykuły

Pomiar czasu

- n +

Rys historyczny.

Bieg czasu odczuwamy między innymi dlatego, że po nocy następuje dzień a po zimie wiosna.
Rytm dnia i nocy przemienność pór roku wynikają z ruchów ciał niebieskich. Zjawiska astronomiczne regulują życie na Ziemi. One to dają nam możność wykonywania pomiarów czasu.

Chcąc zmierzyć jak długo trwa jakiś proces, trzeba go porównać z innym procesem, który uznajemy za wzorcowy. Proces wzorcowy powinien być procesem powtarzalnym i powinien być dostępnym dla wszystkich.

Pomiar czasu należy do najdokładniejszych zagadnień praktycznych i naukowych. Jego potrzeba pojawiała się wtedy, gdy człowiek zaczął uprawiać rolę, hodować bydło itp., a było to kilkanaście tysięcy lat temu. Około 5000 lat temu Egipcjanie podzielili kalendarz na 365 dni, gdyż zaobserwowali, że co 365 dni gwiazda zwana Syriuszem, ukazuje się na niebie tuż przed wschodem słońca. Mniej więcej w tym samym czasie następował wylew Nilu, a po opadnięciu jego wód Egipcjanie przystępowali do orki i siewu zbóż. Większość ludów posługiwała się księżycową miarą czasu, gdyż zjawisko faz księżyca jest łatwiejsze do zaobserwowania. Miesiąc był wyznaczany jako okres pomiędzy dwiema jednakowymi fazami księżyca. W tym ujęciu rok składał się z 12 miesięcy księżycowych - okres czasu prawie równy okresowi obiegu Słońca po ekliptyce.

Taki kalendarz oparty na roku księżycowym jest do dziś stosowany w krajach muzułmańskich. Cztery tysiące lat temu w Egipcie zaczęto wykorzystywać zegar słoneczny.

Wielkim problemem technicznym było przez wiele tysiącleci mierzenie odstępów czasu mniejszych niż doba.

Służyły do tego klepsydry piaskowe. Za ich pomocą można było odmierzać jednakowe odstępy czasu. W nocy lub w pochmurny dzień używano zegarów wodnych. Upływ czasu wyznaczany był przez ubytek wody sączącej się przez otwór w kamiennym naczyniu, wewnątrz którego była podziałka. Około tysiąc lat temu wynaleziono zegary świecowe. Upływ czasu określały kreski zaznaczone na świecy. Wszystkie te zegary były jednak mało dokładne. W średniowieczu pojawiły się pierwsze zegary sprężynowe, które umieszczano głównie na wieżach kościołów. Ciągłe unowocześnianie tych zegarów pozwoliło na zmniejszenie ich rozmiarów. W XVII wieku zegar sprężynowy wyposażono w pozytywkę. Zegar coraz bardziej zmniejszano, zaopatrzono w szkiełko i wskazówkę, aż stał się zegarkiem kieszonkowym.

W 1790 roku w Genewie w Szwajcarii pojawiły się pierwsze zegarki na rękę. Innym typem zegarów są zegary wahadłowe. Wynalazcą samego wahadła był włoski uczony Galileo Galilei (1564 - 1642), zwany Galileuszem. Pod kierunkiem Galileusza w 1641 roku jego syn Yincenzo zbudował prototyp zegara wahadłowego.
Na jego wzór pierwszy użyteczny zegar wahadłowy skonstruował w 1667 roku holenderski uczony Chrystian Huygens (1629 - 1695). Udoskonalił on też zegar sprężynowy. W tym samym mniej więcej okresie co syn Galileusza, wahadła do pomiaru czasu użył gdański astronom Jan Heweliusz.

Zegary wahadłowe znajdują się w użyciu po dzień dzisiejszy. W 1929 roku skonstruowano pierwszy zegar kwarcowy w Anglii, został zbudowany przez W.A. Morisona, który wykorzystał zjawisko piezoelektryczności. Zegar taki charakteryzuje się dużą dokładnością. Pierwszy zegar atomowy wynaleziono w 1949 roku w USA. Zegar atomowy dla pomiaru czasu wykorzystuje drgania atomów lub molekuł. Stosuje się zazwyczaj zegary amoniakalne, cezowe lub wodorowe. Zegary atomowe umożliwiają weryfikację przewidywań teorii względności dotyczącej zmian prędkości upływu czasu wraz z przemieszczaniem się zegara lub ze zmianą natężenia pola grawitacyjnego. Ich zastosowanie pozwoliło też wykryć i śledzić milisekundowe zmiany długości doby. Za wynalezienie i rozwój techniki zegara atomowego przyznano Nagrody Nobla w 1966 roku (A. Kastler) i w 1989roku (N. Ramsey).

Najstarszym działającym zegarem jest zegar w Katedrze Salisbury w Wielkiej Brytanii. Żelazny mechanizm poruszany jest przez liny nawinięte na bęben. Zegar ten "tyka" co cztery sekundy.

II.Pojęcie czasu.

Czas to wymiar, który umożliwia rozróżnienie dwóch identycznych zdarzeń, zachodzących w tym samym punkcie przestrzeni. Odstęp między takimi dwoma zdarzeniami określa podstawę pomiaru czasu. Do celów ogólnego użytku jednostek czasu dostarcza obrót Ziemi wokół jej osi (doba) oraz obieg pełnej orbity Ziemi w ruchu wokół Słońca (rok). Do celów naukowych jednostki czasu definiuje się obecnie poprzez częstość wybranego promieniowania elektromagnetycznego (sekunda).

1.Czas biologiczny.

Do pomiarów zjawisk zmieniających się szybciej, znaleziono zegar - serce. Rytm uderzenia serca jest regulowany biologicznie. Galileusz używał uderzeń serca jako miernika czasu w swych pionierskich doświadczeniach dynamicznych ze swobodnym spadkiem ciał, równią pochyłą i wahadłem. Okres czasu pomiędzy dwoma uderzeniami serca jest najkrótszym odstępem czasu, który może być odczuwany przez ludzi.

Ten okres stał się pierwszym wzorcem jednostki czasu: sekundy. Biologiczny zegar ludzki jest zsynchronizowany z zegarem niebieskim: Stosunek doby słonecznej do uderzenia serca wynosił od początku około 100000. To umożliwiło nam rozwinięcie obiektywnej koncepcji czasu.

Gdybyśmy posługiwali się wyłącznie naszymi biologicznymi zegarami, to w pomiarach fizycznych już drugie miejsce dziesiętne mogłoby być niepewne.

2.Czas gwiazdowy (ST).

Odbiciem obrotu naszej Ziemi jest pozorny ruch gwiazd na niebie. Gwiazda Polarna jest osią tego niebieskiego zegara, Wielki Wóz (Wielka Niedźwiedzica) może służyć jako wskazówka. Czas jakiego potrzebuje gwiazda dla dokonania całkowitego obrotu wokół Gwiazdy Polarnej jest dniem gwiazdowym. Jest to okres obrotu Ziemi. Podzielenie tego okresu przez 24x60x60 = 86400 daje sekundę gwiazdową.

3. Czas uniwersalny (UT).

Ziemia porusza się po orbicie wokół Słońca, stąd też mieszkańcy widzą Słońce na tle różnych gwiazdozbiorów w ciągu roku.

Słońce porusza się trochę szybciej na niebie zimą niż latem. Zegar gwiazdowy porusza się regularnie, ale zegar słoneczny nie.

Astronomowie zastąpili rzeczywiste Słońce przez fikcyjne "Uniwersalne Słońce", poruszające się z jednakową prędkością kątową wzdłuż Ekliptyki, spotykające się z rzeczywistym Słońcem w określonym dniu każdego roku. Odstęp czasu pomiędzy dwoma kulminacjami "Uniwersalnego Słońca" jest dniem uniwersalnym, jego 1/84600 część jest sekundą uniwersalną. Była to międzynarodowa standardowa jednostka czasu w okresie pomiędzy 1835 r. a 1956 r. Rzeczywisty zegar słoneczny nie różni się znacznie od czasu uniwersalnego.

Czas uniwersalny wykorzystuje zasadniczo obrót Ziemi, ale z pewnym przybliżeniem, aby nie następowało przesuwanie się dni i nocy z upływem lat, gdyż okres obrotu Ziemi wynosi 23 godziny 56 minut 3,455 sekund w czasie uniwersalnym.

4.Czas inercjalny.

Równanie ruchu i prawo grawitacji odkryte przez Newtona umożliwiają astronomom obliczanie ruchu planet i księżyców.

Transformując obliczone położenia do układu spoczynkowego związanego z Ziemią otrzymuje się pozorny ruch Słońca, Księżyca i planet na niebie. W rzeczywistości, takie przeliczanie to złożone zagadnienie wielu ciał, ale można je wykonać za pomocą przybliżeń matematycznych (teoria perturbacji).

Newcomb opracował tablice ruchów słońca w 1895 r, później E. W. Brown opracował tablice dla ruchu Księżyca. Te wcześniej obliczone położenia ciał niebieskich porównano w XX w. z położeniami rzeczywistymi i stwierdzono różnicę. Ciała niebieskie osiągnęły swe wyliczone położenia na niebie parę sekund wcześniej nim nadszedł oczekiwany moment. Zaobserwowane systematyczne różnice świadczyły o tym, że ziemski zegar jest niedokładny spóźnia się. Czas uniwersalny różnił się od czasu, któremu były posłuszne poruszające się ciała niebieskie.

Czas inercjalny jest z definicji skalą czasu, w której ciało pozostawione sobie pokonuje równe odległości w równych odstępach czasu. Pierwsza zasada Newtona mówi, że gdy używamy inercjalnego czasu, dowolne ciało pozostawione sobie pokonuje równe odległości w równych odstępach czasu. Taki inercjalny zegar nie może być zrealizowany praktycznie na Ziemi, ponieważ w Układzie Słonecznym siły istnieją wszędzie, nie jest możliwe znalezienie ruchu inercjalnego.
W ciągu jednego roku czas uniwersalny spóźnia się o 0,003 s w stosunku do czasu inercjalnego, wciągu 100 lat różnica ta wrasta do 30 s, a w ciągu 1000 lat - do 50 min. Czas inercjalny jest zmienną niezależną w prawach ruchu, w której przyjmują one najprostszą postać.

5.Czas efemeryd (ET) .

Na moment bezwładności danego ciała mogą wpływać złożone siły wewnętrzne, ale wpływowi temu nie podlega ruch jego środka masy.

Dlatego też w październiku 1956r. trzy międzynarodowe organizacje postanowiły przyjąć za podstawową jednostkę czasu okres obiegu Ziemi po orbicie (rok), zamiast dotychczas używanego okresu obrotu Ziemi (doby).

Ruch Ziemi po orbicie może być uważany za ruch inercjalny nawijający się na kole (elipsie). Efemerydą nazywamy wcześniej wyliczone położenie geocentryczne ciała niebieskiego na niebie. Jednostką czasu efemeryd jest sekunda, stawiająca 1/31556925,9747 część roku zwrotnikowego dla momentu pierwszego południa roku 1900, gdy szczerość Słońca na niebie była 279° 4T48.04".

Trzeba zaobserwować dokładną długość roku (np. powrót Słońca do tej samej gwiazdy), trzeba obliczyć zmiany długości roku od roku 1900 r, a stąd wyznaczyć długość roku 1900. Dzieląc tę długość przez wyżej podaną wartość 31556925.9747 otrzymuje się długość standardowej sekundy.

Jednak w praktyce procedura jest nieco inna. Poczynając od nowego roku 1900, wylicza się położenie planet i Księżyca na każdą dobę o północy, zaś te wstępnie obliczone współrzędne zostają stablicowane. Gdy Księżyc osiągnie przewidywany punkt, wtedy jest dokładnie północ. Można wtedy ustawić zegar.

6. Czas atomowy (AT)

Bardziej praktyczne byłoby używać jako wzorca czasu ruchu okresowego, w którym okres nie zależy od warunków początkowych.

W takim układzie okres automatycznie powróci do wartości poprzedniej, gdy zaburzenie zniknie. Wysokie wymagania stawiane naturalnym zegarom są najlepiej spełniane przez atomy.

Pierwszy zegar atomowy, który przekroczył względną dokładność czasu efemeryd (10 - 10 ) był w użyciu w Narodowym Banku Wzorców w Waszyngtonie, USA od 1949 r.

W obserwatorium marynarki USA zmierzono częstość przejścia nadsubtelnego w stanie podstawowym atomu Cezu - 133 wynoszącą: v = 9192631770 +- 20 s w jednostkach czasu efemerydalnego.

Z porównań synchronizacji sygnałów w skali międzynarodowej wynika, że osiągnąć można dokładność rzędu 10 - 10 nawet przy odległościach międzykontynentalnych.

Ostatecznie w 1969 r. Międzynarodowa Komisja Wag i Miar przyjęła nową definicję jednostki czasu: jedna sekunda jest równa 9192631770 okresu drgań atomu cezu - 133 w jego nadsubtelnych przejściach F= 4-> 3, M= 0-> 0 w stanie podstawowym (ta wartość wynosząca w przybliżeniu 10, jest stosunkiem częstości drgań elektronu w atomie do częstości uderzeń serca). Fizycy nie są tak zupełnie zadowoleni z wyboru atomu cezu - 133.

Uważają, że bardziej elegancko byłoby używając atomu wodoru, dla którego częstość zmiany orientacji spinu (jądra względem elektronu) wynosi:

v=1420405751.800 +- 0.028 s - 1

Jeszcze bardziej niezadowoleni są astronomowie. Jednak mimo tych sprzeciwów międzynarodowy wzorzec sekundy jest obecnie realizowany w zegarach atomowych, jest też transmitowany drogą radiową do obserwatoriów astronomicznych, do statków i samolotów.

7. Czas względny.

Szczególna i ogólna teoria względności zwróciły naszą uwagę na fakt, że czas odczytywany na zegarze nie jest skalarem, zależy bowiem od układu odniesienia, w którym się znajdujemy.

Fizycy używają czasu atomowego wskazywanego przez zegar w laboratorium, astronomowie zaś nazywają czas wskazywany przez zegary atomowe fizyków - czasem ziemskim (terrestrial time - TT).

Dla obserwacji kosmicznych częstości radiowych w zakresie daleko poza dziesiąte miejsce dziesiętne (np. pochodzących z szybko wirujących gwiazd neutronowych, zwanych pulsarami), należy wziąć pod uwagę, że energia fotonu zwiększa się, gdy foton spada na powierzchnię kuli ziemskiej w polu grawitacyjnym Ziemi.

Gdyby Ziemia nie miała masy, wtedy czas obserwowany tGCT (GCT = geocentryczny czas koordynowany), różniłby się od ziemskiego czasu tTT. Należy wziąć pod uwagę, że Ziemia w Układzie Słonecznym nie znajduje się w spoczynku, lecz porusza się po orbicie wokół Słońca z prędkością: V= 30 km/s.

Z teorii szczególnej względności wiemy, że szybko poruszający się zegar zwalnia w stosunku do układu odniesienia obserwatora. Daje to względną poprawkę rzędu V2/c2 = 10 - 8.

Opracowanie:mgr Mieczysław Warzyński

Zgłoś błąd    Wyświetleń: 3214


Uwaga! Wszystkie materiały opublikowane na stronach Profesor.pl są chronione prawem autorskim, publikowanie bez pisemnej zgody firmy Edgard zabronione.


BAROMETR


1 2 3 4 5 6  
Średnia ocena: 5.5



Ilość głosów: 6

Serwis internetowy, z którego korzystasz, używa plików cookies. Są to pliki instalowane w urządzeniach końcowych osób korzystających z serwisu, w celu administrowania serwisem, poprawy jakości świadczonych usług w tym dostosowania treści serwisu do preferencji użytkownika, utrzymania sesji użytkownika oraz dla celów statystycznych i targetowania behawioralnego reklamy (dostosowania treści reklamy do Twoich indywidualnych potrzeb). Informujemy, że istnieje możliwość określenia przez użytkownika serwisu warunków przechowywania lub uzyskiwania dostępu do informacji zawartych w plikach cookies za pomocą ustawień przeglądarki lub konfiguracji usługi. Szczegółowe informacje na ten temat dostępne są u producenta przeglądarki, u dostawcy usługi dostępu do Internetu oraz w Polityce prywatności plików cookies.
Dowiedz się więcej.