راه ترقی - دانشمندان آماده‌ی بازتعریف واحد بنیادی زمان می‌شوند. واحد زمان قرار نیست طولانی‌تر یا کوتاه‌تر شود، اما دقیق‌تر و البته بسیارقدرتمندتر خواهد شد.

مترولوژی به‌معنی مطالعه‌ی علم اندازه‌گیری و کاربردهای آن است و مترولوژیست به محققی گفته می‌شود که در این حوزه فعالیت کند. مترولوژیست‌ها می‌گویند که برپایی تمدن نوین بشری بدون اندازه‌گیری کمیت‌ها غیرممکن می‌بود. از سویی هم اندازه‌گیری بدون استفاده از واحد‌های یکسان غیرمعنی است. بنابراین در طول 150 سال گذشته مترولوژیست‌ها در اداره‌ی بین‌المللی اوزان و مقیاس‌ها، به‌اختصار B.I.P.M که مقر آن در فرانسه است، دور هم جمع می‌شوند تا تعاریف مشخص و سفت‌وسخت‌گیرانه‌ای از واحدهای اندازه‌گیری ارائه کنند. درحال‌حاضر این سازمان برای هفت کمیت اصلی فیزیکی یعنی زمان، طول، جرم، جریان الکتریکی، دما، شدت نور و مقدار ماده واحدهای مشخص فیزیکی تعریف کرده است. این واحدها در کنار یکدیگر زبان علم، فناوری و تجارت را تشکیل می‌دهند. دانشمندان به‌طور دائم این استانداردها را اصلاح کرده و ارتقا می‌دهند. در سال 2018 اداره‌‌ی اوزان و مقیاس‌ها تعاریف جدیدی برای کیلوگرم (واحد جرم)، آمپر (واحد جریان)، کلوین (واحد دما) و مول (واحد اندازه‌ی ماده) ارائه کردند. اما نکته‌ی جالب‌توجه این است که همه‌ی این واحدها به‌جز مول تابع ثانیه هستند. برای مثال تعریف متر به این‌صورت است: مسافتی که نور در خلأ در مدت زمان یک 299792458‌ام ثانیه طی می‌کند. به‌همین ترتیب نیز کیلوگرم برمبنای ثانیه تعریف شده است. البته تعریف جدید کیلوگرم تاحدی پیچیده است و در کمتر از چند پاراگراف نمی‌گنجد. به‌گفته‌ی نوئل‌سی‌‌دی‌مارک ، فیزیکدان و رئیس کمیته‌ی مشاور برای زمان و فرکانس در B.I.P.M، همه‌ی واحدهای تعریف‌شده مستقل نیستند و خودشان برای تعریف به ثانیه وابستگی دارند. از این تعریف چنین برمی‌آید که یک فرد کنجکاو می‌تواند واحدهای دیگر را، گرچه به‌صورت ناشیانه، به‌صورت ثانیه تعریف کند. دی‌مارک در این‌مورد می‌گوید: وقتی به فروشگاه می‌روید به‌جای این‌که بگویید یک کیوگرم سیب‌زمینی می‌خواهم می‌توانید بگوئید چند ثانیه سیب‌زمینی می‌خواهم! بااین‌حال اکنون بعد از نیم قرن دانشمندان در تلاش هستند تا تعریف ثانیه را تغییر دهند؛ که چون نسل جدیدی از ساعت‌ها وارد عرصه شده‌اند که می‌توانند زمان را با دقت بیشتری نسبت به دهه‌های گذشته اندازه‌گیری کنند. در ماه ژوئن سال 2022 میلادی (اواخر بهار 1401 خورشیدی) مترولوژیست‌های B.I.P.M فهرستی از تمام معیارهای مورد نیاز و بایسته درمسیر تعریف جدید ثانیه را به‌طور نهایی ارائه خواهند کرد. دی‌مارک معتقد است که تا سال 2026 بسیاری از این معیارها برآورده می‌شوند و احتمالاً در سال 2030 تعریف جدید به‌صورت رسمی اعلام خواهد شد. البته باید تعریف جدید ثانیه به‌دقت انجام گیرد چراکه بنای اندازه‌گیری جهانی بر شالوده‌ی ثانیه ساخته‌ی شده است و اصلاح تعریف ثانیه نباید شامل تغییر طول آن شود. الیزابت دونلی ، مدیر بخش زمان و فرکانس مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری ایالات‌متحده‌ی آمریکا است که در کمیته‌ی مشاوره‌ای بین‌المللی B.I.P.M با دکتر دی‌مارک همکاری می‌کند. دونلی در مورد تغییر تعریف ثانیه می‌گوید‌: این اتفاقی است که هر 50 سال یک‌بار روی می‌دهد. بنابراین کاری بسیار حساس است و باید با نهایت دقت انجام شود. البته مشارکت در انجام این کار برای من بسیار هیجان‌انگیز است. داستان سزیم
در گذشته‌ انسان‌ها با نگاه به آسمان‌ حساب زمان را نگه می‌داشتند. تا این‌که در سال 1967 مترولوژیست‌ها زمان را بر مبانی اتفاقاتی که در درون اتم روی می‌دهد تعریف کردند. به‌نوعی می‌توان گفت سنجش زمان مانند ضربان قلب کهکشان است. اما زمان‌ و نام‌گذاری اصطلاحات مرتبط با زمان ریشه در اخترشناسی دارد. در ابتدا سنجش زمان برمبنای حرکت گردشی روزانه‌ی زمین یعنی فرارسیدن روزها و شب‌ها از پی همدیگر صورت می‌گرفت. در نهایت ستاره‌شناسان مصر باستان که از سیستم شمارش دوازده‌تایی استفاده می‌کردند هر روز و شب را به دوازده ساعت تقسیم کردند و شبانه‌روز 24 ساعته را به‌دنیا معرفی کردند.

اما تعریف باستانی ثانیه مشکلاتی داشت. زمین به‌طور مرتب آهسته‌تر به‌دور خود می‌چرخد و رفته‌رفته روز‌ها و به‌تبع آن ثانیه‌ها طولانی‌تر می‌شوند. این تغییرات کوچک به‌مرور زمان روی هم انباشته می‌شوند؛ درواقع دانشمندان با استفاده از روش برون‌یابی‌ و مطالعه‌ی مشاهدات تاریخی از زمان وقوع ماه‌گرفتگی‌ و خورشید‌گرفتگی‌های گذشته به این نتیجه رسیده‌اند که زمین به‌عنوان یک وسیله‌ی سنجش زمان در طول 2 هزار سال گذشته حدود 3 ساعت از دست داده است. بنابراین می‌توان گفت استاندارد محاسبه‌ی زمان برمبنای رویدادهای اخترشناسی چندان بی‌تغییر و یکنواخت نیست، واقعیتی که در طول اولین دهه‌ی قرن 20 میلادی به‌طور فزاینده‌ای برای مترولوژیست‌ها غیرقابل‌تحمل می‌شد، یعنی زمانی که آن‌ها به موفق به‌کشف بی‌نظمی‌های گردش زمین شدند. علم و همین‌طور زمان همواره خواهان ثبات، قابلیت ‌اطمینان و تکرارپذیری هستند. در اواخر دهه‌ی 1960 میلادی که دوران آغاز انقلاب در حوزه‌ی ارتباطات بود، جامعه بیش‌از‌پیش به فرکانس سیگنال‌های رادیویی وابسته می‌شد؛ نوعی فناوری که به زمان‌سنجی بسیاردقیق وابسته بود. از این‌رو مترولوژیست‌ها نیز به اقتضای تغییرات آن زمان، به حرکت‌های قابل‌پیش‌بینی‌تر ذرات اتمی روی آوردند. اتم‌ها هیچ‌گاه خسته یا آهسته نمی‌شوند. ویژگی‌های اتم‌ها با گذشت زمان تغییر نمی‌کند. در واقع می‌توان گفت اتم‌ها کامل‌ترین وسیله‌ی زمان‌سنجی هستند. در اواسط قرن بیستم دانشمندان مشغول سردرآوردن از رازهای اتم سزیم 133 بودند. سزیم که به‌آن طلای نقره‌فام نیز اطلاق می‌شود، باوجود فلز بودنش، در دمای اتاق به‌صورت مایع درمی‌آید. اتم‌های سزیم سنگین و کند هستند و درنتیجه ردیابی آن‌ها برای دانشمندان کار راحتی است. دانشمندان سزیم را در خلأ و در یک میدان مغناطیسی نامرئی با امواج میکروویو بمباران می‌کنند. هدف آن‌ها این است که دریابند در کدام طول‌موج یا فرکانس اتم‌های سزیم بیشتری از خود انرژی به‌صورت فوتون ساطع می‌کنند. این فوتون‌ها یا بسته‌های نوری ساطع‌شده توسط یک آشکارساز شمارش می‌شوند. طول‌موجی که در آن بیشترین تعداد اتم‌های سزیم برانگیخته شدند به‌عنوان فرکانس رزونانس طبیعی اتم‌های سزیم شناخته می‌شود. برای فهم بهتر این موضوع می‌توان از تشبیه یک آونگ استفاده کرد. اگر آونگ را اتم سزیم در نظر بگیریم، ریتم نوسان آن همان رزونانس طبیعی سزیم خواهد بود. اما فرکانس اتم سزیم 133 تقریباً 9/2 میلیارد نوسان در ثانیه است؛ یا اگر بخواهیم دقیق‌تر بگویم 9٬192٬631٬770 نوسان در ثانیه. استاندارد زمانی که در تعیین رزوناس طبیعی سزیم از آن استفاده شده، برمبنای تعریفی است که در سال 1957 از ثانیه ارائه شده‌ بود؛ یعنی زمانی که این آزمایش علمی انجام می‌گرفت. همان‌طور که پیش‌تر نیز گفته شد در این تعریف از اندازه‌گیری حرکت زمین، ماه و ستاره‌ها استفاده شده بود. درنهایت در سال 1967 مترولوژیست‌های B.I.P.M فرکانس رزونانس طبیعی اتم سزیم 133 را به‌عنوان طول رسمی یک ثانیه معرفی کردند. اما با وجود معرفی این تعریف جدید از زمان براساس فعل‌وانفعلات اتمی، زمان نجومی همچنان به‌صورت جدائی‌ناپذیری بخشی از این تعریف جدید است، درواقع می‌توان گفت زمان اتمی و زمان نجومی به‌نحوی به‌هم‌پیوسته هستند. یکی از دلایلش این است که زمان اتمی باید به‌صورت دوره‌ای تصحیح شود و دلیل آن نیز نرخ غیرثابت تغییر سرعت گردش زمین به‌دور خود است، در حالی‌که ساعت اتمی به‌صورت ثابت به سنجش زمان ادامه می‌دهد. وقتی که زمان اتمی نسبت به زمان نجومی یک‌ثانیه جلو می‌افتد، دانشمندان زمان اتمی را یک ثانیه متوقف می‌کنند تا زمان نجومی به آن برسد، این یک ثانیه‌ی اضافی در پایان سال به طول آن سال اضافه می‌شود. به‌این‌ترتیب با این‌که طول یک ثانیه تغییر نمی‌کند؛ اما هرازگاهی مدت زمان یک دقیقه تغییر می‌کند. دانشمندان پس از اقدام برای احتساب 10 ثانیه‌ی کبیسه و اضافه کردن آن به ساعت اتمی در سال 1972، از آن زمان تاکنون به‌طور تقریبی هر 1/5 سال یک‌بار، یک ثانیه‌ی کبیسه به زمان اتمی اضافه می‌کنند. بازتعریف جدید از یک ثانیه تأثیری بر زندگی روزمره ما نخواهد داشت
نکته‌ی عجیب دیگر این است که با وجود معرفی ساعت‌های اتمی دقیق ما همچنان با ثانیه‌ها‌ی تعریف‌شده در سال 1957 زندگی می‌کنیم و این امر یک علت اصلی دارد: فرکانس رزونانس سزیم 133 در این سال اندازه‌گیری شد. به‌نوعی می‌توان گفت تعریف اخترشناسی از یک ثانیه‌ از سال 1957 به‌بعد تغییر نکرده است و حتی در صورت بازتعریف استاندارد سنجش زمان در سال‌های آینده، ما همچنان با تعریف اخترشناسی که در سال 1957 از ثانیه ارائه شد زندگی خواهیم کرد. عدم آمادگی برای پذیرش یک ساعت جدید
دلیل این‌که دانشمندان به‌دنبال بازتعریف ثانیه هستند توسعه‌ی ابزارهای دقیق‌تر اندازه‌گیری زمان است، یعنی نوع جدید از ساعت‌های اتمی به‌نام ساعت‌های اتمی اپتیکال . اصول عملکرد این ساعت‌های جدید شبیه ساعت‌های سزیمی است بااین‌حال ساعت‌های اتمی اپتیکال دارای فرکانس رزونانس بالاتری هستند. این فرکانس‌ها در بخشی مرئی یا اپتیکال طیف الکترومغناطیس قرار دارند و دلیل نام‌گذاری این ساعت‌ها نیز به همین موضوع برمی‌گردد.

در دوی سوی میزی که روی آن ساعت اپتیکال قرار داده شده است تجهیزات تولید و تابش لیزر وجود دارد. پرتوهای لیزر اتم‌ها را سرد می‌کنند و دمای آن‌ها را تا نزدیکی صفر مطلق پائین می‌آورند. این اتم‌ها در یک مکان گیر می‌افتدند و سرعت آن‌ها پائین می‌آید. در ادامه از لیزرها برای کاوش حرکت اتم‌ها استفاده می‌شود، درواقع دانشمندان با تاباندن یک رنگ خالص (تک‌رنگ) از نور روی اتم‌ها می‌توانند طول‌موج دقیقی را مشخص کنند که می‌تواند باعث برانگیختن تغییرات کوچک انرژی در آن‌ها شود. جفری شرمن از فیزیک‌دانان بخش تحقیق و توسعه‌ی زمان در مؤسسه‌ی ملی استانداردها و تکنولوژی موضوع را با یک مثال ساده، اندکی بازتر می‌کند: اتم‌ها فقط درصورتی به‌صورت قابل‌تشخیصی برانگیخته می‌شوند که نور لیزر تابانده‌شده بر آن‌ها به‌صورت دقیق تنظیم شده باشد، درست مانند وقتی که یک کودک هنگام تاب‌بازی زمانی به ارتفاع بیشتر می‌رسد که دوستش در زمان مناسب او را به‌جلو هل دهد. بنابراین موضوع مهم در این‌جا خوانش طول‌موج و تنظیم لیزر به‌منظور تشخیص دقیق طول‌موجی از نور است که باعث می‌شود اتم‌ها به‌اندازه‌ی موردنظر برانگیخته ‌شوند و این همان سلاح مخفی ساعت‌های اتمی اپتیکال است. درواقع یکی از اجزای مهم ساعت‌های اپتیکال یک نوع لیزر دیگر به‌نام شانه‌ی فرکانس فمتوثانیه‌ای است، لیزری که کشف آن در سال 2005 جایزه‌ی نوبل را برای کاشفان آن به‌ارمغان آورد. لیزر شانه‌ی فرکانس از نوع لیزرهای پالسی است. این لیزرها به‌طور پیوسته کار نمی‌کنند بلکه در فواصل فواصل زمانی بسیار ناچیز روشن‌ و خاموش می‌شوند و به‌اصطلاح دندانه‌های هم‌اندازه از جنس نور تولید می‌کنند، چیزی شبیه به دندانه‌های شانه‌‌ی سر. این شانه‌‌های نوری می‌تواند طول‌موج پرتوهای نور خالص منجر به برانگیختگی اتم‌ها یا یون‌ها را با دقت و سرعت بالا بخوانند. این پرتوها یا امواج نوری دارای ریتم، یا فرکانس هستند و بسیار سریع حرکت می‌کنند؛ چیزی در حدود 100 هزار مرتبه سریع‌تر از انرژی میکروویویی که اتم‌های سزیم را برانگیخته می‌کند. فرکانس بالای لیزر و توانایی خوانش دقیق طول‌موج آن باعث می‌شود ساعت‌های اتمی اپتیکال بتوانند بسیار دقیق‌تر از ساعت‌های سزیمی حساب زمان را نگه دارند. رسیدن به افق‌های جدید
اما سؤالی که در وهله‌ی اول با آن مواجه می‌شویم این است که چرا اصلاً به چنین دقت بالایی برای اندازه‌گیری زمان نیاز داریم؟ اول باید توجه کنیم که زمان فقط زمان نیست. بگذارید این جمله را اندکی بسط دهیم. زمان با نیروی گرانش و جرم ارتباط دارد و تحت ‌تأثیر آن‌ها قرار می‌گیرد. از طرف دیگر همان‌طور که اصل وجود استانداردهای بین‌المللی نشان می‌دهد زمان پایدار و بی‌تغییر نیست. برای مثال برپایه‌ی نظریه‌ی نسبیت‌ عام اینیشتین زمان در نزدیکی اجسام سنگین مانند سیاره‌ها آهسته‌تر حرکت می‌کند؛ چراکه سرعت آن توسط جاذبه‌ی نیروی گرانش کاهش پیدا می‌کند.

فان‌وسترام با استفاده از روش‌ سنتی سطح‌سنجی، یعنی اندازه‌گیری ارتفاع مکان از سطح دریا نشان داد که ارتفاع آزمایشگاه‌ها هرچند به‌میزان ناچیز با یکدیگر تفاوت دارند. این اختلاف ارتفاع بسیار ناچیز به‌معنی اختلاف در نیروی گرانشی زمین در محل قرارگیری ساعت‌ها است؛ اما ساعت‌های اپتیکال به‌حدی پیچیده و دقیق هستند که تحت‌تأثیر این تغییرات گرانشی کوچک قرار گرفته و به‌همین علت اندازه‌گیری‌های مختلفی از طول یک ثانیه ارائه می‌کردند. ساعتی که فقط یک سانتی‌متر بالاتر از ساعت اپتیکال دیگر قرار گرفته باشد سریع‌تر کار می‌کند. وقتی به نسبیت عام و تأثیر گرانش بر زمان فکر می‌کنیم، اغلب مسافت‌های کهکشانی به ذهن ما خطور می‌کند، اما آن‌طور که ساعت‌های اپتیکال نشان دادند نظریه‌ی نسبت عام اینشتین حتی در فواصل بسیار کوتاه نیز تأثیر خود را نشان می‌دهد. فان‌وسترام که نمی‌توانست خنده‌ی ناشی از حیرت خود را پنهان کند در این‌مورد می‌گوید: پیش‌بینی دیوانه‌وار اینیشتین را از تأثیری که جرم و گرانش روی زمان می‌گذارد، با چشمان خودم دیدم، برای من این شگفت‌انگیز است. فان‌وسترام درمورد کاربرد ساعت‌های اتمی اپتیکال می‌گوید که اگر چند ساعت از این نوع در قسمت‌های مختلف زمین کار گذاشته شود، محققان حوزه‌ی موقیعت‌سنجی می‌توانند اختلاف سرعت حرکت آن‌ها را مقایسه کرده و به اختلاف ارتفاع و قدرت میدان گرانشی زمین در این محل‌ها پی ببرند. برای مثال با قرار دادن یک شبکه‌ از این ساعت‌ها در نزدیکی رودخانه‌‌ای که دائماً طغیان می‌کند و سنجش سطح مسیرهای آب می‌توان هشدارهای به‌موقع در مورد احتمال وقوع سیل به ساکنان منطقه اعلام کرد. اما این احتمالات مربوط به آینده است. درحال‌حاضر دانشمندان در تلاش هستند کاری کنند که ساعت‌های اپتیکال از مسافت‌های دور با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، موضوعی که برای رسیدن به یک تعریف جدید و دقیق از ثانیه ضروری است. ساعت‌های اپتیکال نمی‌توانند به‌طور مؤثر ازطریق ماهواره‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، یکی از دلایل آن این است که سنجش ماهواره‌ای زمان هنوز به‌صورت اپتیکال انجام نمی‌شود. اما فیزیک‌دانان گام‌های مهمی برای نیل به این هدف برداشته‌اند. در آزمایشی که توسط مؤسسه‌ی استانداردها و تکنولوژی انجام گرفت و گزارش آن سال گذشته در ژورنال نیچر به‌چاپ رسید فیزیک‌دانان موفق شدند بین سه ساعت اتمی اپتیکال شهر بولدر ازطریق فیبر نوری و هوا ارتباط برقرار کنند. مقاله‌ی مرتبط: چرا جهان بدون ریاضیات معنایی ندارد؟
اکنون دانشمندان یک‌بار دیگر به‌ آسمان‌ها نگاه می‌کنند؛ اما این‌بار نه برای اندازه‌گیری حرکت سیاره‌ها و ستاره‌ها، بلکه برای استفاده از اطلاعاتی که از اعماق فضا و جاهایی فراتر از کهکشان راه‌شیری به ما می‌رسد. محققان ایتالیایی و ژاپنی با استفاده از تداخل‌سنج‌های خط‌پایه طولانی سعی کردند بین دو ساعت اپتیکال که در فاصله‌ی 9 هزار کیلومتری از یکدیگر قرار گرفته بودند ارتباط برقرار کنند. در این آزمایش دانشمندان از آنتن‌های فضایی برای خواندن امواج رادیویی که از اعماق کیهان به زمین می‌رسند، استفاده کردند. آن‌ها سپس از روش تداخل‌سنجی برای بکارگیری اطلاعات کیهانی به‌منظور برقراری ارتباط بین ساعت‌های اپتیکال استفاده کردند. آزمایش جواب داد و برای لحظه‌ای زمان و فضا با پادرمیانی ستارگان با یکدیگر ادغام شدند. شاید روزی برسد که تلاش هزاران ساله‌ی انسان برای سنجش زمان پرده از رازهای کیهان بردارد.