Who decides how long a second is? - John Kitching

Tłumaczenie: Paulina Kaniewska Korekta: Ola Królikowska

In 1967, researchers from around the world

W 1967 roku badacze z całego świata

gathered to answer a long-running scientific question—

zebrali się, żeby odpowiedzieć na pytanie, które nauka zadawała sobie od dawna.

just how long is a second?

Ile dokładnie trwa sekunda?

It might seem obvious at first.

Odpowiedź z pozoru wydaje się oczywista.

A second is the tick of a clock,

Sekunda to tyle co tyknięcie zegara,

the swing of a pendulum, the time it takes to count to one.

wychylenie wahadła czy policzenie do jednego.

But how precise are those measurements?

Ale na ile takie miary czasu są dokładne?

What is that length based on?

Od czego zależy czas ich trwania?

And how can we scientifically define this fundamental unit of time?

I jak zdefiniować podstawową jednostkę czasu w sposób naukowy?

For most of human history, ancient civilizations

Przez większą część historii ludzkości starożytne cywilizacje

measured time with unique calendars

do mierzenia czasu używały własnych kalendarzy

that tracked the steady march of the night sky.

opartych na rytmicznym tańcu nocnego nieba.

In fact, the second as we know it wasn’t introduced until the late 1500’s,

Tak naprawdę sekundę jako miarę czasu wprowadzono dopiero pod koniec XVI wieku,

when the Gregorian calendar began to spread across the globe

kiedy upowszechnił się kalendarz gregoriański

alongside British colonialism.

wraz z brytyjskim kolonializmem.

The Gregorian calendar defined a day as a single revolution of the Earth

W kalendarzu gregoriańskim doba została zdefiniowana jako obrót Ziemi

about its axis.

wokół własnej osi.

Each day could be divided into 24 hours, each hour into 60 minutes,

Każda doba dzieliła się na 24 godziny, każda godzina na 60 minut,

and each minute into 60 seconds.

a każda minuta na 60 sekund.

However, when it was first defined,

Kiedy jednak po raz pierwszy zdefiniowano sekundę,

the second was more of a mathematical idea than a useful unit of time.

była ona bardziej pojęciem matematycznym niż użyteczną jednostką czasu.

Measuring days and hours was sufficient for most tasks in pastoral communities.

Odmierzanie dni i godzin w tradycyjnych społecznościach wystarczało.

It wasn’t until society became interconnected

Ale w sieci powiązań, jaką stało się społeczeństwo

through fast-moving railways that cities needed to agree on exact timekeeping.

dzięki szybkim kolejom, miasta musiały zadbać o punktualność.

By the 1950’s, numerous global systems required every second

Jeszcze nim nastały lata 50. XX wieku, liczne systemy o zasięgu światowym

to be perfectly accounted for, with as much precision as possible.

musiały zliczać czas co do sekundy z maksymalną precyzją.

And what could be more precise than the atomic scale?

A czy jest coś, co daje większą dokładność pomiaru niż atom?

As early as 1955, researchers began to develop atomic clocks,

Już w 1955 roku badacze zaczęli budować zegary atomowe,

which relied on the unchanging laws of physics

które bazowały na prawach fizyki,

to establish a new foundation for timekeeping.

żeby stworzyć nowe podstawy mierzenia czasu.

An atom consists of negatively charged electrons

Atom składa się z elektronów o ujemnym ładunku elektrycznym

orbiting a positively charged nucleus at a consistent frequency.

krążących ze stałą częstotliwością wokół dodatnio naładowanego jądra.

The laws of quantum mechanics keep these electrons in place,

Prawa mechaniki kwantowej utrzymują elektrony na ich orbitach,

but if you expose an atom to an electromagnetic field

ale gdyby poddać atom oddziaływaniu pola elektromagnetycznego,

such as light or radio waves,

na przykład fal świetlnych czy radiowych,

you can slightly disturb an electron’s orientation.

można by nieco zmienić położenie elektronu względem jądra.

And if you briefly tweak an electron at just the right frequency,

Jeśli podrasuje się elektron przy użyciu fali o odpowiedniej częstotliwości,

you can create a vibration that resembles a ticking pendulum.

można wywołać drgania przypominające ruch wahadła.

Unlike regular pendulums that quickly lose energy, electrons can tick for centuries.

Elektrony nie wytracają szybko energii jak zwykłe wahadła i mogą drgać setki lat.

To maintain consistency and make ticks easier to measure,

Dla większej stabilności i łatwości pomiaru drgań

researchers vaporize the atoms,

badacze wprowadzają atomy w stan gazowy,

converting them to a less interactive and volatile state.

w którym zmniejsza się ich zdolność wchodzenia w reakcje i zmienność.

But this process doesn’t slow down the atom’s remarkably fast ticking.

Nie spowalnia to jednak niewiarygodnie szybkich drgań atomu.

Some atoms can oscillate over nine billion times per second,

Niektóre atomy drgają ponad dziewięć miliardów razy na sekundę,

giving atomic clocks an unparalleled resolution for measuring time.

dzięki czemu precyzji pomiaru zegarów atomowych nie da się z niczym porównać.

And since every atom of a given elemental isotope is identical,

Skoro atomy o tym samym izotopie są identyczne,

two researchers using the same element and the same electromagnetic wave

to dwóch badaczy stosujących taki sam pierwiastek i taką samą falę

should produce perfectly consistent clocks.

powinno zbudować dwa doskonale zgodne zegary.

But before timekeeping could go fully atomic,

Żeby jednak w dziedzinie mierzenia czasu dokonała się atomowa rewolucja,

countries had to decide which atom would work best.

kraje musiały jeszcze zdecydować, który atom sprawdzi się najlepiej.

This was the discussion in 1967,

O tej sprawie dyskutowano w 1967 roku

at the Thirteenth General Conference of the International Committee

podczas XIII Generalnej Konferencji Miar

for Weights and Measures.

Międzynarodowego Komitetu Miar i Wag.

There are 118 elements on the periodic table,

Układ okresowy składa się ze 118 pierwiastków,

each with their own unique properties.

z których każdy ma unikalne właściwości.

For this task, the researchers were looking for several things.

Żeby wyłonić spośród nich jeden, badacze brali pod uwagę kilka kryteriów.

The element needed to have long-lived

Idealny kandydat musiał być długowieczny i mieć dużą częstotliwość drgań

and high frequency electron oscillation for precise, long-term timekeeping.

do zapewnienia stabilności i dokładności pomiaru.

To easily track this oscillation,

Żeby łatwo śledzić tę oscylację,

it also needed to have a reliably measurable quantum spin—

pierwiastek musiał mieć dający się wiarygodnie zmierzyć spin,

meaning the orientation of the axis about which the electron rotates—

czyli położenie osi, wokół której elektron się obraca,

as well as a simple energy level structure—

a także prostą strukturę poziomów energetycznych,

meaning the active electrons are few and their state is simple to identify.

czyli małą liczbę wzbudzonych elektronów, których stany można łatwo rozpoznać.

Finally, it needed to be easy to vaporize.

Pierwiastek musiał też dać się łatwo wprowadzić w stan gazowy.

The winning atom? Cesium-133.

Zwycięski pierwiastek? Cez-133.

Cesium was already a popular element for atomic clock research,

Cez już wcześniej zyskał popularność w badaniach nad zegarem atomowym,

and by 1968, some cesium clocks were even commercially available.

a przed 1968 rokiem można było nawet cezowe zegary atomowe kupić.

All that was left was to determine how many ticks of a cesium atom

Pozostało tylko ustalić, ile drgań atomu cezu

were in a second.

przypada na sekundę.

The conference used the most precise astronomical measurement

Na konferencji użyto do tego celu astronomicznej miary sekundy,

of a second available at the time—

najdokładniejszej z wówczas dostępnych,

beginning with the number of days in a year and dividing down.

wychodząc od liczby dni w roku i dzieląc je na godziny, minuty i sekundy.

When compared to the atom’s ticking rate,

Wynik porównano z częstotliwością drgań atomu

the results formally defined one second

i tak uzyskano oficjalną definicję sekundy

as exactly 9,192,631,770 ticks of a cesium-133 atom.

jako 9 192 631 770

drgań atomu cezu-133.

Today, atomic clocks are used all over the Earth— and beyond it.

Współcześnie zegary atomowe są używane na całym świecie i poza nim.

From radio signal transmitters to satellites

Od nadajników radiowych przez satelity

for global positioning systems,

aż po GPS-y,

these devices have been synchronized

wszystkie te urządzenia zsynchronizowano,

to help us maintain a globally consistent time—

żeby można było uzgodnić czas wskazywany na całym świecie

with precision that’s second to none.

z precyzją, z którą nic nie może się mierzyć.