Etalon vremena – u potrazi za svetlošću

Časovničarska umetnost je početkom XVIII veka već bila prilično visoko razvijena. Otkriveno je klatno, kretanje po skali i mehanizam sa oprugom. Nastojanja veštih majstora učinila su da je tačnost najboljih astronomskih satova u to vreme već dostigla fantastične veličine: njihove greške nisu prelazile četvrt minuta za 24 sata. Ipak je drugi kraljevski astronom Engleske, Edmund Galej, nezadovoljan postojećim satom, naručio prvom časovničarskom majstoru, Džordžu Grejamu, nov sat, još tačniji. Četiri godine su bile potrebne Grejamu da izvrši ovu narudžbinu. Njegov sat je grešio samo za jednu sekundu u 24 sata. Uspeh je postignut ne zbog savršenstva izrade zupčanika i drugih prenosnih mehanizama, već zbog nove konstrukcije klatna. Klatno je u ranijim časovnicima izrađivano u vidu čelične osovine i upravo je ono bilo uzrok netačnosti sata. Dužina klatna menjala se u zavisnosti od temperature, a zajedno s tim menjao se period njegovih oscilacija. Razni mehanički uređaji, koji bi kompenzovali promene u dužini klatna, usled promene temperature, nisu pomogli. Grejam je zamenio jednu čeličnu osovinu klatna kompletom od mesinganih i čeličnih osovina, koje su bile povezane paralelno. Sada su temperaturne promene u dužini jednih bile kompezovane temperaturnim promenama u dužini drugih i klatno je zadržavalo svoju dužinu nepromenjenom.

Ovde se zapaža delimični prelazak klatna na molekularni nivo. Zatim, kako se i moglo očekivati, dogodio se prelazak sa korišćenja molekularnih sila čvrstih supstanci na tečne. Isti taj Grejam je kasnije predložio da se izradi šuplje klatno i da se u njega delimično nalije živa. Pri menjanju okolne temperature centar teže klatna čuvan je podizanjem i spuštanjem nivoa žive.

Takav časovnik korišćen je više od 150 godina u svim opservatorijama sveta. I sve vreme usavršavani su pokretač, transmisija i mehanizam upravljanja. Sa otkrićem električne struje pojavila se mogućnost da se i ovaj časovnik prevede na mikronivo.

Klatno je počelo da dobija impuls ne od opruge ili tegova, već iz izvora električnih signala. Preciznost sata je rasla i greška je iznosila ne više od jedne sekunde godišnje.

Međutim, i ova tačnost nije mogla da zadovolji astronome. Godine 1939, u kraljevskoj opservatoriji u Griniču, prvi put je proradio kvarcni sat. To je predstavljalo prelazak na mikronivo svih delova sistema, uključujući i transmisiju. Delovi sistema časovnika sklopili su se u jednu materiju – kristal kvarca, koji je, pod dejstvom priključenog električnog signala, imao stabilne i elastične oscilacije. Sada se greška od jedne sekunde sakupljala tokom dve godine. Ali kolebljivi kristal kvarca bio je toliko osetljiv na pad temperature da se morao toplo “odevati” i kriti duboko u zemlju. No, ni to nije bilo dovoljno. Postalo je jasno da su molekularne sile čvrste supstance konačno iscrple svoje mogućnosti i trebalo je da usledi korak ka korišćenju tečnih, a kasnije i gasovitih materija, pri čemu je u toj konstrukciji trebalo da budu upotrebljeni “rastavljeni” molekuli i grupe atoma. Kvantni časovnik na amonijak potvrđuje ispravnost naših pretpostavki. Pod dejstvom priključenog električnog polja, grupe atoma amonijaka periodično ispuštaju svetlost, što je počelo da služi kao etalon frekvencije.

Kvantni časovnik na amonijak odmah je smanjio odstupanje u svom radu do 0,000001 sekunde u 24 sata. U Pulkovskoj opservatoriji se pedesetih i početkom šezdesetih godina amonijačni generator koristio kao osnovni etalon vremena.

Međutim, kosmička tehnika stremi ka drugim svetovima i zahteva sve veću preciznost u merenju vremena. Greška, čak u milionitom delu sekunde, mogla bi ugroziti rad hiljada ljudi koji rade na interplanetarnim aparatima. I eto, oktobar 1967. godine XIII međunarodna konferencija o merama i težinama donosi odluku: “Sekunda – to je trajanje od 9.192.631.770 perioda zračenja koje odgovara prelazu između dva hiperfina nivoa (F = 4; Mf  = 0 i F = 3, Mf = 0) osnovnog stanja atoma cezijuma-132”.

Tako se završila sledeća etapa u razvoju radnog organa časovnika, koji je već u potpunosti prešao na korišćenje energije pojedinačnog atoma čvrste supstance.

Atomski časovnik u roku od 15 hiljada godina može pogrešiti manje od pola sekunde. To je čudesna tačnost koja izmiče svakoj imaginaciji. Prosudite sami. Evropa je tek pre 500 godina otkrila štamparsku mašinu, samo 2700 godina je prošlo od osnivanja Rima… Za sve to vreme postojanja civilizovanog čovečanstva, atomski časovnik bi mogao da napravi grešku nešto veću od par stotih delova sekunde. U bliskoj budućnosti veća tačnost časovnika neće biti potrebna. Ali, tehnika se ne zaustavlja u svom razvitku; njeni zakoni su neumoljivi. Ponovo mora doći do obrta u biranju materijala za radni organ koji radi na atomskom nivou. U traganju za tačnošću i pouzdanošću čvrsta supstanca-cezijum mora biti zamenjena tečnošću ili gasom.

Tako se događa u svakom tehničkom sistemu koji mora da se razvija. Na početku se, po običaju, koriste mogućnosti čvrste supstance; ona se dinamizuje, t.j. postaje sve pokretljivija, elastičnija, zatim se drobi, prelazeći u pseudotečno stanje i, konačno prelazi u tečnost i gas [1].

LITERATURA

[1] Ivanov, G., Formula stvaralaštva: kako postati pronalazač, Kreativni centar, Beograd, 1999. str. 174.

Prof. dr Branislav Čabrić

Prorodno-matematički fakultet, p. fah 60, 34001 Kragujevac

E-mail:  branko.cabric@gmail.com

Slike ovih interesantnih časovnika skinute su sa interneta. Primedba autora sajta.

• Tweet