التعريفات البديلة للثانية
نعلم جميعًا أن هناك 24 ساعة في اليوم و60 دقيقة في الساعة، وأن كل دقيقة تتضمن 60 ثانية؛ بمعنى آخر، يتضمن اليوم 86,400 ثانية. ولكن كيف يتم تحديد الطول الدقيق للثانية؟ بشكل عام، لكي نتمكن من قياس الوقت بشكل فعال، نحتاج أولاً إلى ظاهرة يمكن ملاحظتها وتكرر نفسها بانتظام بما فيه الكفاية. إن الظاهرة التي حددت تقليديًا وحدة الزمن الثانية ووحدات الزمن الأخرى هي دوران الأرض حول محورها؛ وكان التعريف التاريخي للثانية هو ببساطة الجزء 1/86,400 من اليوم. لكن ابتداءً من منتصف القرن العشرين، تعمق الفهم بأن الاعتماد على اليوم لتحديد الثاني أمر إشكالي للغاية، لأن طول اليوم غير ثابت. ولذلك تقرر استبدال أساس تعريف الثانية من النهار بالسنة الاستوائية - أي الفترة الزمنية التي تمر بين مرورين متتاليين للشمس على نفس النقطة على مسارها الأفقي في السماء - والتي تتغير بشكل أبطأ بكثير من النهار. وبناء على ذلك، في عام 20 تم تعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات (SI) باعتبارها الجزء 1960/1 من السنة الاستوائية لعام 31,556,925.9747. ولكن بعد سبع سنوات فقط، تم اعتماد تعريف رسمي جديد تمامًا للثانية، استنادًا إلى ظاهرة على المستوى الذري وليس على المستوى الفلكي. في عام 1900، تم بناء أول ساعة ذرية دقيقة، والتي كانت تعتمد على انتقال ذرات السيزيوم 1955 بين مستويين محددين للطاقة: يتم إثارة الذرات بواسطة الموجات الميكروية إلى مستوى طاقة أعلى، وعندما تتحلل مرة أخرى إلى المستوى الأساسي، لقد أطلقوا فوتونات بتردد دقيق للغاية - وكانت هذه هي الظاهرة المنتظمة الجديدة التي جعلت من الممكن قياس الوقت بدقة غير مسبوقة.
ما الذي دفع العلماء إلى تغيير تعريف الثانية عام 1960؟ وبعد سبع سنوات، لتغييره مرة أخرى؟
وبناء على ذلك، في عام 1967، تم استبدال التعريف الثاني القياسي بالتعريف التالي: مدة 9,192,631,770 دورة من الإشعاع المنبعث أثناء انتقال السيزيوم 133 بين مستويي الطاقة؛ ويتم اختيار عدد الدورات بحيث تتوافق هذه المدة مع طول الثانية كما هو محدد في عام 1960. والأكثر من ذلك: أثر تعريف الثانية الجديدة على إعادة تعريف وحدات القياس الأساسية الإضافية. وفي عام 1983، تم تعريف المتر على أساس الثانية، وفي عام 2018، أعيد تعريف الكيلوغرام على أساس عدة ثوابت طبيعية، من بينها نفس تردد الإشعاع المنبعث من انتقال السيزيوم 133 بين مستويات الطاقة.
ما الذي حفز هذه العملية الرائعة التي مر بها الثاني، من وحدة بلا تعريف موحد رسمي (قبل 1960) إلى وحدة لا يتم تعريفها فقط (بدءا من 1967) بطريقة دقيقة غير مسبوقة، بل تستخدم حاليا كأساس لـ تحديد وحدات القياس الأخرى؟ ويبحث البروفيسور شاؤول كاتسير، رئيس معهد كوهين لتاريخ وفلسفة العلوم والأفكار في جامعة تل أبيب، في هذه القضية، إلى جانب العديد من الأسئلة الأخرى المصاحبة لها. كيف ولماذا يحدد العلماء أن الحجم الذي تم تعريفه على أنه ثابت ليس في الواقع ثابتًا؟ كيف تم التوصل إلى استنتاج مفاده أن سرعة دوران الأرض - المقياس الأصلي في الثانية - تتضاءل؟ لماذا رأى العلماء أنه يجب تغيير التعريف الثاني، ولماذا اختاروا في البداية تعريفًا غريبًا إلى حد ما أثار انتقادات (على أساس السنة الاستوائية، وعام 1900 على وجه الدقة)، ولم يستبدلوه إلا بعد سبع سنوات بتعريف كامل. تعريف مختلف؟ في هذا البحث، الذي حصل على منحة من المؤسسة الوطنية للعلوم، تبرز العديد من القضايا المتعلقة باحتياجات علم الفلك والفيزياء والتكنولوجيا في ذلك الوقت؛ وكذلك الأسئلة المنهجية والفنية المتعلقة بمتطلبات وحدات القياس الأساسية وطرق قياس الزمن بدقة وتحديد مدى ثبات الترددات. وفي الخلفية أيضًا إصلاح وحدات القياس الأساسية اعتبارًا من عام 2018، والذي طرح على جدول الأعمال السؤال الأساسي حول كيفية تحديد وحدات القياس الأساسية ومتى تكون الحاجة إليها وإمكانية استبدالها.
أثر التعريف الثاني الجديد على إعادة تعريف وحدات القياس الأساسية الإضافية. وفي عام 1983 تم تعريف المتر على أساس الثانية، وفي عام 2018 تم إعادة تعريف الكيلوجرام.
وتتضمن الدراسة دراسة العوامل والتحركات التي قادت علماء الفلك بين عامي 1925 و1939 إلى استنتاج مفاده أن سرعة دوران الأرض حول محورها تتناقص بالفعل تدريجياً، وذلك بهدف تحديد الوقت الدقيق الذي اقتنعوا فيه بهذا الأمر. والأسباب التي جعلتهم يستنتجون ذلك. ويظهر البحث أنه على الرغم من وجود ظروف خارجية جديدة (أجهزة أكثر دقة لقياس الوقت مثل ساعات الكوارتز)، فإن العوامل الرئيسية التي أدت إلى هذا الاستنتاج كانت اعتبارات داخلية تطرقت إلى النظرية المستخدمة للتنبؤ بحركات الكواكب وكانت على أساس المقارنة بين التنبؤ وبيانات الرصد الفعلية. نشأت الشكوك حول تباطؤ دوران الأرض بعد ملاحظات من منتصف القرن التاسع عشر أظهرت أن القمر كان يتحرك بشكل أسرع مما تتنبأ به النظرية. وبعد حسابات وملاحظات أكثر دقة، أصبح من الواضح أن حركات الكواكب تتسارع أيضًا مقارنة بما تتنبأ به النظرية، وبمعدل مماثل لتسارع القمر. وفي النهاية، ومن خلال الحسابات المعقدة - التي بحثتها بعمق في هذه الدراسة - أظهر علماء الفلك، ومن بينهم ويليم دي سيتر، أن الافتراض بأن معدل الدوران الذاتي للأرض يتضاءل يفسر كل الانحرافات المقاسة بين النظرية والملاحظات .
أما بالنسبة للتغيرات في التعريف الثاني، فيبدو أن الدافع الرئيسي لها كان الحاجة المادية والتكنولوجية لقياس التردد (وبالتالي الوقت أيضًا) والقدرة على إنتاج عدادات للوقت والتردد أكثر وأكثر دقة - أولًا ساعات الكوارتز ثم الساعات الذرية. جاءت مبادرة التغيير الأول من علماء الفلك، الذين اعتقدوا في البداية أنهم وحدهم من يملكون القدرة على حساب الوقت بطريقة مطلقة ودقيقة بناءً على القوانين المعروفة في الميكانيكا السماوية، وبالتالي تم اختيار أول قياس دقيق (بدلاً من دوران الأرض) كان وقت الثورة حول الشمس. ولكن بعد ذلك أصبح من الواضح أن الفيزياء الذرية الحديثة على وجه التحديد يمكن أن توفر آلية موثوقة ودقيقة بنفس القدر وأكثر ملاءمة للاستخدام في قياس الوقت - باستخدام ذرة السيزيوم 133 - وتم تغيير أساس تعريف الثانية وفقًا لذلك.
الحياة نفسها:
البروفيسور كاتسير معجب "بشدة" بالموسيقى الكلاسيكية، القديمة والمعاصرة على حد سواء - ويستمع إليها في كل ساعات يقظته، بما في ذلك أثناء عمله على الساعات.
تعليقات 4
سيتم دحض ادعاء أسبار باستخدام Lemma الخاص بـ Permafrost:
----------------
لنتأمل مجموعة من الدوائر في المستوى الإقليدي لها نقطة مركزية مشتركة وزاوية مركزية مشتركة تتقاطع خطوطها، أي الأشعة، مع كل هذه الدوائر.
إذا كانت الدوائر "متناثرة" في مستوى وليس لها مركز مشترك - فسننسخها أولاً إلى نقطة مركزية مشتركة عشوائية باستخدام البوصلة والمسطرة (*).
تقطع أشعة الزاوية المشتركة قطاعًا أو "شريحة" من كل دائرة تنتمي إلى المجموعة وقوسًا من كل دائرة تنتمي إلى المجموعة.
كل هذه "الشرائح" متشابهة، ولكنها تختلف في معلمة واحدة - نصف القطر.
والفرق بينهما هو القياس فقط.
بسبب التشابه، يترتب على ذلك مباشرة أن النسبة بين الأقواس المختلفة التي تقع عليها الزاوية المركزية المشتركة ونصف قطر الدوائر التي قطعت منها هذه الأقواس على التوالي، تكون ثابتة.
وهذه النسبة هي حسب تعريفها الزاوية المركزية مهما كان حجمها، وهي مشتركة وواحدة عند الجميع.
وتوسيع الزاوية المشتركة وضمها إلى نسبة الزاوية الكاملة الممتدة من نقطة المركز يعني أن النسبة بين أنصاف أقطار الدوائر والمحيطات المقابلة لها ثابتة، ولا يهم على الإطلاق ما هي نسبة هذا الثابت يكون.
(*) المسطرة - لرسم الخطوط المستقيمة فقط. لا للقياس. لا توجد مساطر قياسية في الهندسة.
لا تتطرق المناقشة إلى مفهوم الثانية الكبيسة.
تتناقص سرعة الدوران الذاتي لـ KDA بحوالي 1.4-1.7 مللي ثانية يوميًا كل مائة عام، بسبب تحولات الصفائح التكتونية (الأمر الذي يؤثر على سرعة الدوران بسبب الزخم الزاوي المحفوظ)، ولكن أيضًا بسبب المد والجزر.
ففي نهاية المطاف، الأرض ليست جسمًا صلبًا، ولكنها تحتوي على محتوى سائل وصهارة وغطاء سائل وبحار ومحيطات.
"يتدفق" الزخم الزاوي للأرض ببطء بشكل رئيسي نحو القمر ويبتعد القمر عنا نتيجة لذلك بحوالي 3.5 سم سنويًا.
نظرًا لتباطؤ سرعة الدوران الذاتي لـ KDA، بدءًا من عام 1972، تم تقديم إضافة ثانية عابرة.
عندما يتراكم التباطؤ إلى حوالي 0.9 ثانية (كل 500 يوم) - تتم إضافة ثانية كبيسة في نهاية يونيو أو في نهاية ديسمبر.
في الواقع، كان الأمر محسوسًا بالفعل في عام 1957 عندما بدأ استخدام الساعات الذرية، ولكن لم تبدأ معالجة الأمر إلا في عام 1972 عندما تراكم التباطؤ بالفعل إلى عشر ثوانٍ، ومنذ ذلك الحين تمت إضافة 27 ثانية أخرى ليصبح المجموع 37 ثانية.
تتطلب العديد من أنظمة الكمبيوتر ضبطًا دقيقًا للغاية للوقت، بغرض جدولة الأحداث فيما بينها، خاصة عندما تكون موزعة جغرافيًا، ولا يتم وضعها جميعًا معًا في غرفة واحدة في موقع واحد.
ويشتركون في خدمة مزامنة الوقت من معاهد المعايير أو المراصد، بناء على الساعة الذرية، ويطرحون 37 ثانية (حاليا) من القيمة المرسلة إليهم للحصول على التوقيت الوطني الصحيح.
الغباء هو ما يدفع معظم العلماء التافهين في العالم إلى الجنون!
العلامة الواضحة للواقع المادي هي أنه لا يوجد شيء دائم فيه.
لا توجد سرعة ثابتة في الطبيعة.
كما أنه لا يوجد تسارع ثابت في الطبيعة، والسقوط الحر له تسارع متغير.
لا يوجد تغيير دائم في الطبيعة، والتغيير يتغير دائمًا.
لا توجد ظاهرة في الطبيعة تتكرر في فترات زمنية متساوية.
هناك تغير في الأشكال في الطبيعة، ولا يوجد تماثل في الأشكال.
لا توجد حركة في الطبيعة في خط مستقيم موحد الشكل.
ولا توجد حركة في الطبيعة في مسار دائري موحد الشكل.
لا يوجد خط هندسي مستقيم في الطبيعة، ولا يوجد خط هندسي دائري في الطبيعة.
ليس هناك فائدة من السعي لتحقيق معايير مثالية لطول الوقت والطاقة، وهذا يكفي
أن تكون المعايير مناسبة للاستخدام العملي.
لا توجد طريقة لمعرفة ما إذا كانت الظاهرة التي يُنظر إليها على أنها دورة منتظمة، هي بالفعل منتظمة.
لقد كان الشوق إلى شيء دائم موجودًا دائمًا، لكن على المرء أن يقبل العبارة القائلة بأنه لا يوجد "شيء" دائم في الواقع المادي.
كما أن النسبة بين محيط الدائرة وقطرها ليست ثابتة
يعتقد علماء الرياضيات (منذ آلاف السنين) أن الرقم الواحد الذي تبلغ قيمته 3.14 تقريبًا يسمح بالانتقال من قطر أي دائرة إلى محيطها.
وتعني كل دائرة من الأصغر الذي يقترب قطره من الصفر ملم إلى الأكبر الذي يقترب قطره من اللانهاية ملم.
في حين يرى أسبار أن كل حجم للدائرة يجب أن يكون له رقم انتقالي فريد، وجميع أرقام الانتقال هذه تقع في نطاق ضيق بين 3.14 و3.16
وبحسب اعتقاد علماء الرياضيات، فمن المقبول أنه إذا تم اختيار دائرتين عشوائيتين، فإن نسبة محيطيهما (مساوية) إلى نسبة قطريهما.
ومن المقبول حسب اعتقاد إسبار أنه إذا اخترنا دائرتين عشوائيتين فإن نسبة محيطيهما (غير متساوية) إلى نسبة أقطارهما،
وهذه متباينة صغيرة جدًا، نظرًا للنطاق الضيق بين 3.14 و3.16
ويمكن اختبار هذين المعتقدين عن طريق تجربة عملية دقيقة بأسطوانتين معدنيتين نسبة قطرهما مثلا 7
تبدأ التجربة عندما يتم الضغط على الاسطوانة الصغيرة من محيطها إلى محيط الاسطوانة الكبيرة، وعندما تدور الاسطوانة الصغيرة تدور الاسطوانة الكبيرة.
النتيجة الأولى للتجربة:
إذا دارت الأسطوانة الصغيرة 7 مرات، وأكملت الأسطوانة الكبيرة دورة واحدة بالضبط، فإن اعتقاد علماء الرياضيات صحيح….. نسبة الأقطار (المتساوية) إلى نسبة المحيطات.
النتيجة الثانية للتجربة: إذا دارت الأسطوانة الصغيرة 7 مرات والأسطوانة الكبيرة تدور دورة واحدة (زائد أو ناقص) درجة واحدة فإن اعتقاد نسبار صحيح. (نسبة الأقطار (غير متساوية) إلى نسبة المحيطات، عندما تكون متباينة ضئيلة.
أجرى أسبار هذه التجربة في عام 2017، وحصل على نتيجتها.
يتردد علماء الرياضيات في إجراء هذه التجربة، خوفًا من أن يتبين أن اعتقادهم الذي دام ألف عام كان خطأً فادحًا، تم تناقله من جيل إلى جيل باعتباره حقيقة رياضية راسخة.
أ. أسبار