Το blog της Φυσικής και της τεχνολογίας

Παλιοί υπολογιστές που άφησαν εποχή

Apple I (1976)

 

Ο υπολογιστής που έκανε τα αρχικά PC συνώνυμο των υπολογιστών.
Βγήκε στις 12 Αυγούστου 1981. Το λειτουργικό του σύστημα δεν είχε σχεδιαστεί από την ίδια την IBM (αντίθετα από τα καθιερωμένα για την εταιρεία) αλλά από μια μικρή και άγνωστη τότε εταιρεία ονόματι Microsoft! Είχε την ονομασία PC-DOS.
Ο επεξεργαστής του ήταν ο 8088 της Intel (στα 4,77MHz) που είχε 16-μπιτη εσωτερική αρχιτεκτονική, αλλά 8-μπιτο εξωτερικό data bus.
Τον υπολογιστή αυτόν μιμήθηκαν πολλοί άλλοι κατασκευαστές που μπορούσαν να προμηθευτούν από την Microsoft το ίδιο ουσιαστικά λειτουργικό σύστημα, αλλά με το όνομα MS-DOS. Η διαφορά με το PC-DOS ήταν στο επίπεδο επικοινωνίας με το BIOS του υπολογιστή.
Δημιουργήθηκε έτσι μία ιδιαίτερη κατηγορία υπολογιστών, αυτή των συμβατών με IBM PC ή αλλιώς IBM PC compatibles, που έτρεχαν το ίδιο λογισμικό (σε μεγάλο βαθμό) με τον IBM PC.
Οι υπολογιστές που σήμερα αποκαλούμε PC (και έχουν κύριο λειτουργικό τα Windows) οφείλουν την ύπαρξή τους στον IBM PC και στους συμβατούς, των οποίων αποτελούν μετεξέλιξη, αν και τα σημερινά PC δεν έχουν πλέον τίποτε κοινό με εκείνους τους συμβατούς. Στην πορεία του χρόνου έχουν εξελιχθεί σε κάτι τελείως διαφορετικό.

Πολύ καλό αν και πολύ αργό computer. Το πρωτοείδα στο τηλεοπτικό παιχνίδι γνώσεων “Κόκκινοι γίγαντες – ‘Ασπροι νάνοι” το 1983. Έτρεχε ένα πρόγραμμα ομιλίας (!) που απαντούσε στους παίχτες με σπαστά ελληνικά, αν απάντησαν σωστά στις ερωτήσεις.

ZX Spectrum της Sinclair

Ίσως ο πιο δημοφιλής “οικιακός” υπολογιστής στην εποχή του. Είχε πολύ καλό hardware ειδικά σχεδιασμένο για παιχνίδια, π.χ. hardware sprites. Δυστυχώς η ενσωματωμένη γλώσσα BASIC δεν είχε ειδικές εντολές που να χρησιμοποιούν αυτές τις δυνατότητες και έτσι η χρήση τους απαιτούσε προγραμματισμό στη γλώσσα μηχανής του επεξεργαστή του, του 6510.

Μετά την αδικοχαμένη Apple Lisa του 1983 που ήταν υπολογιστής πολύ μπροστά από την εποχή του, βγήκε ο μικρότερος αδερφός της ο Macintosh που πήγε καλά εμπορικά και δημιούργησε μία ολόκληρη οικογένεια υπολογιστών που φτάνει μέχρι τις μέρες μας.
Ο Macintosh όπως και η Lisa χρησιμοποιούσε γραφικό περιβάλλον εργασίας με εικονίδια, μενού, παράθυρα και ποντίκι που σήμερα είναι κοινός τόπος.
Επεξεργαστής του ήταν ο φοβερός και τρομερός 68000 της Motorola. Η εσωτερική του αρχιτεκτονική ήταν των 32 bit, αλλά εξωτερικά είχε data bus των 16 bit.
Στην αρχική του έκδοση είχε 128KB RAM που ήταν λίγη για τις ανάγκες του και ήταν σχετικά αργός. Έφερε όμως επανάσταση στον τρόπο χειρισμού των υπολογιστών.

Βγήκε τον Σεπτέμβριο του 1985, λίγους μήνες μετά τον βραχύβιο CPC 664 (που είχε μόνο 64KB RAM), προς απογοήτευση όσων έσπευσαν να αγοράσουν τον 664. Ο 6128 ήταν ο υπολογιστής που καθιέρωσε τη μονάδα δισκέτας (disk drive) ως στάνταρ περιφερειακό. Από τους πρώτους οικιακούς υπολογιστές με 128KB RAM (χωρητικότητα μεγάλη για την εποχή), υπήρξε από τους πιο δημοφιλείς στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του 80. Επεξεργαστής Z80 στα 4MHz.

Πολύ εξελιγμένος υπολογιστής με 512KB RAM (μνήμη τεράστια για την εποχή του). Διέθετε μονάδα δισκέτας (με φορμάτ ίδιο με των PC) και ποντίκι. Ο πρώτος… ποντικοφόρος οικιακός υπολογιστής.
Χρησιμοποιούσε ένα γραφικό περιβάλλον εργασίας, το περίφημο GEM (Graphics Environment Manager) που έμπαινε πάνω από το λειτουργικό (το λεγόμενο TOS). Το GEM, που υπήρχε και σε έκδοση για PC, φιλοδοξούσε να δημιουργήσει ένα φιλικό περιβάλλον αντίστοιχο με του Macintosh. Ο υπολογιστής βγήκε και σε διάφορες άλλες εκδόσεις όπως ο 1040ST με 1024KB RAM(!), ο 520ST FM που συνδέονταν και σε τηλεόραση και ο Atari Mega ST με 1 ως 4MB μνήμη(!)
Ο επεξεργαστής του ήταν ο 68000, όπως και του Macintosh.
Υπήρξε πολύ δημοφιλής στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του 80 και στις αρχές της δεκαετίας του 90.

Το GEM υπήρχε και για PC και φιλοδοξούσε να γίνει το στάνταρ γραφικό περιβάλλον. Τελικά νίκησε η Microsoft που καθιέρωσε το δικό της γραφικό περιβάλλον, τα Windows, από την έκδοση 3.0 του 1990, οπότε το GEM περιέπεσε στην αφάνεια.

Το λιγότερο ακριβό μέλος των Amiga, αλλά το πιο δημοφιλές. Οι δυνατότητές του ήταν πολύ μπροστά από την εποχή του. Είχε πολύ εξελιγμένες δυνατότητες γραφικών και παραγωγής ήχου για την εποχή του (στερεοφωνικός ήχος, αναπαραγωγή ψηφιοποιημένου ήχου, hardware sprites, hardware scrolling της οθόνης) και επίσης είχε preemptive multitasking, κάτι που τα PC απέκτησαν για πρώτη φορά με τα Windows NT το 1993.
Ο επεξεργαστής του ήταν -ποιος άλλος- ο επεξεργαστής των “δυνατών” ο 68000.

Το χρονικό της Θεωρίας της Σχετικότητας

1887 – Πείραμα Michelson-Morley

Οι φυσικοί, τον 19ο αιώνα πίστευαν ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με μια ουσία που την είπαν αιθέρα, ο οποίος υποτίθεται ότι είναι το υλικό μέσο στο οποίο διαδίδεται το φωτός. Αν αυτό ισχύει θα πρέπει να μετράμε διαφορετικές ταχύτητες για το φως κατά τη διάρκεια του έτους, αφού η Γη αλλάζει την κίνησή της στο διάστημα.

Στο πείραμα αυτό επιχείρησαν να μετρήσουν αυτές τις αλλαγές, αλλά το πείραμα έδειχνε πάντα την ίδια ταχύτητα. Το αποτέλεσμα αυτό προκάλεσε σοκ στους φυσικούς της εποχής.

1904 – Μετασχηματισμοί Lorentz

Ο Ολλανδός φυσικός Hendrik Lorentz προσπάθησε να εξηγήσει το αποτέλεσμα του πειράματος Michelson-Morley, θεωρώντας ότι ο αιθέρας συμπιέζεται από την κίνηση της Γης στο διάστημα. Ως αποτέλεσμα τα μήκη των σωμάτων άλλαξαν και τα ρολόγια λειτουργούσαν με διαφορετικό ρυθμό. Κατέληξε έτσι στους περίφημους μετασχηματισμούς χρόνου και χώρου που φέρουν το όνομά του.

30 Ιουνίου 1905 – Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας

Το 1905 ο Einstein δημοσίευσε μία εργασία με τίτλο  “Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων”, η οποία βασίστηκε στις εξισώσεις του Maxwell για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, με την οποία πρωτοεμφανίστηκε η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας. Σε αυτήν ο Einstein κατέληξε πάλι στους μετασχηματισμούς Lorentz, αλλά βασίστηκε σε τελείως διαφορετικές αρχές από τον Lorentz. Η θεωρία αυτή απάλλαξε τη φυσική από το φάντασμα του αιθέρα και άλλαξε για πάντα τις αντιλήψεις μας για το χρόνο και το χώρο.

1908 – Τετραδιάστατος χωρόχρονος

Ο Hermann Minkowski, που υπήρξε δάσκαλος του Einstein, αντιλήφθηκε ότι η Θεωρία της Σχετικότητας μπορεί να γίνει πιο κατανοητή αν θεωρήσουμε το χρόνο και το χώρο ως μια ενιαία οντότητα 4 διαστάσεων. Έτσι οι μετασχηματισμοί Lorentz είναι απλώς αλλαγές αξόνων στον 4διάστατο χωρόχρονο.

Τότε οι εξισώσεις παίρνουν πιο κομψή και απλή μορφή, ενώ πολλά πράγματα ενοποιούνται. Π.χ. η ενέργεια και η συνηθισμένη ορμή αποτελούν το χρονικό και χωρικό αντίστοιχα μέρος ενός 4-διάστατου διανύσματος ορμής.

1915 – Γενική Θεωρία της Σχετικότητας

Σύμφωνα με τη ΓΘΣ δεν υπάρχει ελκτική βαρυτική δύναμη. Η ύλη και η ενέργεια καμπυλώνουν το χωρόχρονο. Τα σώματα ακολουθούν τη συντομότερη διαδρομή στο χωρόχρονο, που δεν είναι ευθεία αλλά καμπύλη. η προβολή της στον 3διάστατο χώρο είναι η τροχιά που βλέπουμε.

Οι εξισώσεις πεδίου (1) μας λένε πώς η ύλη επιδρά στη γεωμετρία του χωρόχρονου. Το πεδίο είναι ο μετρικός τανυστής g_μν.

Οι γεωδαισιακές εξισώσεις (2) μας δίνουν την 4διάστατη τροχιά. Αυτές αντικαθιστούν το 2ο νόμο του Νεύτωνα.

1916 – Η πρώτη ακριβής λύση των εξισώσεων πεδίου

Οι εξισώσεις πεδίου του Einstein είναι δύσκολο να λυθούν, επειδή είναι μη γραμμικές.

Το 1916 ο Γερμανός φυσικός και αστρονόμος Karl Schwarzschild, λίγους μήνες πριν φύγει από τη ζωή, κατάφερε να λύσει τις εξισώσεις πεδίου του Einstein για σημειακή μάζα. Στη λύση αυτή πρωτοεμφανίζεται ο ορίζοντας γεγονότων που τον συναντάμε στις μαύρες τρύπες.

29 Μαΐου 1919 – Εκτροπή του φωτός των άστρων από τον Ήλιο

Μια από τις προβλέψεις της ΓΘΣ είναι ότι το φως εκτρέπεται από τη βαρύτητα. Η πρόβλεψη αυτή ελέγχθηκε κατά τη διάρκεια της έκλειψης Ηλίου στις 29 Μαΐου 1919, σε μια επιστημονική αποστολή υπό τον Arthur Eddington. Η προβλεπόμενη εκτροπή παρατηρήθηκε και ήταν σε αρκετά καλή συμφωνία με την πρόβλεψη της ΓΘΣ.

Το αποτέλεσμα δημοσιεύτηκε στον τύπο της εποχής (διπλανή εικόνα). Ο Einstein έγινε ξαφνικά διάσημος και το όνομά του συνώνυμο της υψηλής ευφυίας.

1960 – Πείραμα Pound-Rebka

Μια πρόβλεψη της ΓΘΣ είναι ότι η συχνότητα μιας ακτινοβολίας αλλάζει με το ύψος μέσα στο πεδίο βαρύτητας, συγκεκριμένα αυξάνεται όσο κατεβαίνουμε μέσα στο πεδίο. Στο πείραμα Pound-Rebka τοποθετήθηκε μια πηγή ακτίνων γ στην κορυφή ενός κτιρίου του πανεπιστημίου Harvard, που φαίνεται στην εικόνα, ύψους 22m και ο δέκτης των ακτίνων στη βάση του. Η πρόβλεψη της θεωρίας επαληθεύτηκε.

14 Σεπτεμβρίου 2014 – Εντοπισμός βαρυτικών κυμάτων

Οι μεταβολές στην κατανομή των μαζών στο χώρο προκαλούν μεταβολές στο πεδίο της ΓΘΣ (τον μετρικό τανυστή g_μν). Αυτές οι μεταβολές προβλέπεται ότι διαδίδονται ως κύμα με την ταχύτητα του φωτός, όπως συμβαίνει και στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Έχουν κατασκευαστεί παρατηρητήρια που έχουν ως σκοπό τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων. Αυτά βασίζονται στη συμβολή κυμάτων.

Ένα τέτοιο παρατηρητήριο εντόπισε τον Σεπτέμβριο του 2015 βαρυτικό κύμα από 2 μαύρες τρύπες που βρίσκονται 1,3 δισ. έτη φωτός μακριά.

Διάρκεια ζωής του Ήλιου και το τέλος των αστέρων

Διάρκεια ζωής του Ήλιου και το τέλος των αστέρων

Η διάρκεια ζωής του Ήλιου

Μπορούμε να υπολογίσουμε τη διάρκεια ζωής του Ήλιου μας χρησιμοποιώντας απλά πειραματικά δεδομένα και μερικές στοιχειώδεις πράξεις.

Έχει βρεθεί από μετρήσεις ότι η ένταση της ακτινοβολίας του Ήλιου στα όρια της γήινης ατμόσφαιρας είναι περίπου 1400W/m². Ας θεωρήσουμε μια νοητή σφαίρα με κέντρο τον Ήλιο και ακτίνα όση η απόσταση της Γης από τον Ήλιο, δηλ. R=1,5·10¹¹m. Το εμβαδόν της σφαίρας αυτής είναι S = 4πR² = 4π·(1,5·10¹¹m)² ≃ 3·10²³m². Άρα η συνολική ισχύς της ακτινοβολίας που περνάει μέσα από τη νοητή επιφάνεια (και η οποία είναι ίση με την ισχύ που εκπέμπει ο Ήλιος) είναι P = 1400·3·10²³W ≃ 4·10²⁶W.

Η μάζα του Ήλιου είναι M_H = 2·10³⁰kg (υπολογίζεται εύκολα από το νόμο της παγκόσμιας έλξης, την απόσταση Γης-Ήλιου και τη διάρκεια της περιστροφής της Γης γύρω από τον Ήλιο). Συνεπώς η ισοδύναμη ενέργεια είναι Ε_Η = Μ_Η·c² = 2·10³⁰·(3·10⁸)²J = 1,8·10⁴⁷J.

Έχει βρεθεί ότι κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης σαν αυτές που συμβαίνουν στα άστρα, μετατρέπεται σε ενέργεια το 7‰ της μάζας και ότι τα άστρα βγαίνουν από την κύρια ακολουθία όταν εξαντλήσουν το 10% του υδρογόνου. Συνεπώς η συνολική ενέργεια που μπορεί να εκπέμψει ο Ήλιος στη διάρκεια της ζωής του είναι 1,8·10⁴⁷·0,0007 ≃ 12·10⁴³J.

Άρα η διάρκεια ζωής του Ήλιου είναι t = 12·10⁴³/4·10²⁶s = 3·10¹⁷s. Δεδομένου ότι 1 έτος ισούται περίπου με 3·10⁷s, η διάρκεια ζωής είναι t = 10¹⁰ έτη, δηλ. 10 δισ. έτη. Ο Ήλιος μέχρι τώρα έχει ζήσει περίπου 5 δισ. έτη, άρα μένουν άλλα τόσα. Θα πρέπει να τονίσουμε πάντως ότι ο παραπάνω υπολογισμός είναι προσεγγιστικός.

Η κατάληξη του Ήλιου

Όταν ένας αστέρας εξαντλήσει τα αρχικά πυρηνικά του καύσιμα (υδρογόνο) αρχίζει να συστέλλεται λόγω βαρυτικής έλξης. Τότε όμως θερμαίνεται αδιαβατικά και αν η θερμοκρασία υπερβεί ένα όριο πυροδοτούνται νέες πυρηνικές αντιδράσεις στις οποίες καταναλώνονται τα προϊόντα του προηγούμενου σταδίου. Στο δεύτερο αυτό στάδιο ο Ήλιος θα διογκωθεί και η επιφάνειά του θα φτάσει περίπου εδώ στη Γη, καταστρέφοντάς την. Η επιφάνεια θα έχει κοκκινωπό χρώμα επειδή θα είναι σχετικά ψυχρή. Δηλαδή ο Ήλιος θα γίνει ερυθρός γίγαντας. Το στάδιο αυτό θα διαρκέσει μερικά εκατομμύρια χρόνια, δηλαδή πολύ λίγο συγκριτικά με το πρώτο στάδιο που ο Ήλιος βρισκόταν στην κύρια ακολουθία. Στη συνέχεια θα αρχίσει να συστέλλεται, μετά θα πυροδοτηθούν νέες πυρηνικές αντιδράσεις κ.ο.κ. Αυτό θα επαναληφθεί πολλές φορές, μέχρι η πυρηνοσύνθεση να φτάσει στο στάδιο του Fe. Ο Fe θεωρείται πυρηνική τέφρα.

Στο τέλος θα συσταλεί και θα γίνει λευκός νάνος με ακτίνα της ίδιας τάξης μεγέθους με αυτή της Γης. Μετά από δεκάδες δισ. χρόνια θα ψυχθεί η επιφάνειά του και θα γίνει καφετί νάνος, σβήνοντας ειρηνικά.

Τα είδη των… αστρικών πτωμάτων

Είδαμε ότι ο Ήλιος θα γίνει λευκός νάνος. Αυτή είναι η κατάληξη των αστέρων που η μάζα τους δεν υπερβαίνει τις 1,4 μάζες Ήλιου (όριο Chandrasekhar).

Αν η μάζα του είναι μεταξύ 1,4 και 2,5 μάζες Ήλιου, η βαρυτική έλξη μεταξύ των στρωμάτων του αστέρα θα αναγκάσει τα ηλεκτρόνια των ατόμων να πέσουν στον πυρήνα και να μετατρέψουν τα πρωτόνια σε νετρόνια. Θα καταλήξουμε έτσι σε αστέρα νετρονίων.

Αν η μάζα του αστέρα υπερβαίνει τις 2,5 μάζες Ήλιου, η βαρύτητα θα υπερνικήσει την κβαντική αντίσταση των νετρονίων και η μάζα θα καταρρεύσει σε ένα μαθηματικό σημείο. Θα καταλήξουμε σε μια μαύρη τρύπα.

Αν η μάζα του αστέρα είναι πολύ μεγάλη, κατά τη συστολή του εμποδίζονται τα νετρίνα να διαφύγουν με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί τέτοια πίεση στο εσωτερικό του, που ο αστέρας θα εκραγεί. Είναι η λεγόμενη έκρηξη σουπερνόβα. Από την τεράστια πίεση πυροδοτούνται ενδόθερμες πυρηνικές αντιδράσεις, από τις οποίες θα παραχθούν χημικά στοιχεία βαρύτερα από τον Fe. Με την έκρηξη θα σκορπιστούν στο διάστημα όλα αυτά τα στοιχεία. Από το υλικό που θα εκτοξευθεί στο διάστημα μπορεί να παραχθούν καινούργια άστρα τα οποία θα διαθέτουν πλέον όλα τα χημικά στοιχεία. Ανάλογα με το πόση μάζα θα απομείνει μετά την έκρηξη σουπερνόβα, ο αστέρας θα καταλήξει σε ένα από τα παραπάνω τρία είδη αστρικών πτωμάτων.

Ατομικά ρολόγια Καισίου και χρόνος UTC

Αρχή λειτουργίας των ρολογιών γενικά

Όλα τα ρολόγια ανεξάρτητα από τον μηχανισμό που διαθέτουν βασίζουν τη μέτρηση του χρόνου σε κάποιο περιοδικό φαινόμενο.

Τα πρώτα μεγάλα μηχανικά ρολόγια στα τέλη του μεσαίωνα χρησιμοποιούσαν μια οριζόντια ράβδο που έκανε περιστροφικές παλινδρομικές κινήσεις γύρω από κατακόρυφο άξονα που περνούσε από το μέσο της ράβδου, το λεγόμενο σύστημα verge and foliot. Σε κάθε παλινδρόμηση της ράβδου ένα γρανάζι μετακινούνταν κατά ένα βήμα. Έτσι η κίνηση του δείκτη (μόνο ωροδείκτης υπήρχε τότε) γίνονταν σε συγχρονισμό με την παλινδρομική κίνηση της ράβδου.

Τα ρολόγια με εκκρεμές βασίζονταν στις ταλαντώσεις του εκκρεμούς.

Τα κλασικά μηχανικά ρολόγια χεριού ή τσέπης ή ακόμα και τοίχου βασίζονται στις περιστροφικές ταλαντώσεις ενός τροχού, του λεγόμενου μπαλανσιέ.

Τα μοντέρνα ρολόγια quartz βασίζονται στις ταλαντώσεις ενός μικροσκοπικού διαπασών από χαλαζία (quartz). Κατά κανόνα το διαπασών ταλαντώνεται με συχνότητα 32.768Hz (=2¹⁵Hz). Ένα μικροτσίπ μετράει το πλήθος των ταλαντώσεων και κάθε 32.768 ταλαντώσεις μετράει 1 second.

Τα ατομικά ρολόγια βασίζονται σε μία ηλεκτρομαγνητική ταλάντωση (ακτινοβολία) που παράγεται από κάποιο είδος ατόμου, εξ’ ου και η ονομασία ατομικά. Η συχνότητα της ταλάντωσης είναι εξαιρετικά σταθερή, οπότε είναι ασύγκριτα πιο ακριβή ακόμα και από τα ρολόγια quartz.

Προς το παρόν τα ατομικά ρολόγια υπάρχουν μόνο σε επιστημονικά εργαστήρια. Μην ψάχνετε να τα βρείτε στην αγορά. Υπάρχουν όμως ρολόγια χεριού που συγχρονίζονται αυτόματα με το χρόνο που παράγεται στα επιστημονικά εργαστήρια. Το πώς διαβάστε το προς το τέλος του άρθρου.

Ατομικά ρολόγια Καισίου

Τα ατομικά ρολόγια Καισίου βασίζονται στην ακτινοβολία της υπέρλεπτης υφής του ισοτόπου του Καισίου ¹³³Cs.

Κατ’ αρχήν να εξηγήσω τι είναι η υπέρλεπτη υφή. Το spin του ηλεκτρονίου αλληλεπιδρά μαγνητικά με το spin του πυρήνα. Ως αποτέλεσμα εμφανίζεται μια ενέργεια αλληλεπίδρασης, θετική ή αρνητική, ανάλογα με το σχετικό προσανατολισμό των spin πυρήνα και ηλεκτρονίου. Τελικά η θεμελιώδης στάθμη του ατόμου διχάζεται σε δύο επιμέρους στάθμες μία με λίγο υψηλότερη ενέργεια από την αρχική και μία με λίγο χαμηλότερη.

Λόγω της σχετικά μεγάλης μάζας των νουκλεονίων, η μαγνητική ροπή του πυρήνα είναι 3 τάξεις μεγέθους μικρότερη από τη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου. Αντίστοιχα θα είναι μικρότερη κατά 3 τάξεις μεγέθους η απόσταση των ενεργειακών σταθμών της υπέρλεπτης υφής, σε σχέση με την απόσταση των επιπέδων της λεπτής υφής (που οφείλονται στην αλληλεπίδραση spin και τροχιάς των ηλεκτρονίων). Και αυτή πάλι είναι μερικές τάξεις μεγέθους μικρότερη από την απόσταση των συνηθισμένων σταθμών του ατόμου.

Λόγω της πολύ μικρής απόστασης των δύο σταθμών παράγεται ακτινοβολία σε συχνότητα πολύ μικρότερη του ορατού φωτός και συγκεκριμένα σε συχνότητα 9.192.631.770Hz, που είναι στην περιοχή των μικροκυμάτων.

Ο χρόνος αποδιέγερσης (άρα και η αβεβαιότητα Δτ της διάρκειας της ακτινοβολίας) είναι αντιστρόφως ανάλογος της τρίτης δύναμης της διαφοράς ενεργειών Ε₂-Ε₁ των δύο σταθμών. Η αβεβαιότητα της ενέργειας της ακτινοβολίας είναι ΔΕ≈h/Δτ. Άρα

ΔΕ∝(Ε₂-Ε₁)³.

Συνεπώς το σχετικό σφάλμα ΔΕ/(Ε₂-Ε₁)∝ (Ε₂-Ε₁)².

Επομένως όσο πιο μικρή είναι η ενεργειακή απόσταση των δύο σταθμών, τόσο πιο μικρό είναι το σχετικό σφάλμα ΔΕ/(Ε₂-Ε₁) της ενέργειας άρα και της συχνότητας.

Στα ατομικά ρολόγια Καισίου το σφάλμα δεν υπερβαίνει το 1s κάθε 100.000 χρόνια! Είναι λοιπόν τα ιδανικά πρότυπα για τον ορισμό των μονάδων χρόνου. Για το λόγο αυτό από το 1967 το sec ορίζεται με βάση το ατομικό ρολόι Καισίου. Συγκεκριμένα ορίζεται ως 1s ο χρόνος που χρειάζεται για 9.192.631.770 ταλαντώσεις της ακτινοβολίας της υπέρλεπτης υφής του ¹³³Cs.

Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα μετράει το πλήθος των ταλαντώσεων και κάθε 9.192.631.770 ταλαντώσεις μετράει 1s.

Τα ατομικά ρολόγια στο PTB στη Γερμανία (racks 1-3, στο κάτω μέρος, πάνω από τα τροφοδοτικά)

Το πρόβλημα με τα ατομικά ρολόγια και η λύση του: Διορθωτικά δευτερόλεπτα (leap seconds)

Η χρήση ρολογιών τέτοιας ακρίβειας απέδειξε ότι η περιστροφή της Γης γύρω από τον εαυτό της επιβραδύνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η περιστροφή της Γης να μένει πίσω σε σχέση με τα ατομικά ρολόγια.

Το πρόβλημα είναι ότι οι ανθρώπινες δραστηριότητες είναι συντονισμένες με την περιστροφή της Γης και την εναλλαγή ημέρας και νύχτας: Συνήθως σηκωνόμαστε το πρωί για να πάμε στη δουλειά μας και κοιμόμαστε το βράδυ. Αν η μέτρηση της ώρας βασιστεί στο ατομικό ρολόι, τότε μετά από πάρα πολλά χρόνια, όταν ξημερώνει τα ρολόγια μας θα δείχνουν μεσημέρι ή και απόγευμα! Αυτό είναι προφανώς ανεπιθύμητο.

Η λύση δόθηκε με τα διορθωτικά δευτερόλεπτα (leap seconds). Δηλαδή ο επίσημος χρόνος (περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω) παράγεται αφαιρώντας από τον ατομικό χρόνο έναν ορισμένο ακέραιο αριθμό δευτερολέπτων. Με το πέρασμα των χρόνων αφαιρούμε όλο και περισσότερα δευτερόλεπτα. Έτσι παράγεται μία χρονική κλίμακα που είναι συγχρονισμένη με την περιστροφή της Γης και το παραπάνω πρόβλημα εξαλείφεται.

Διεθνής ατομικός χρόνος (TAI) και χρόνος UTC

Για να πετύχουν ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια (!) κάνουν το εξής: Ο χρόνος από περισσότερα από 400 ατομικά ρολόγια σε πάνω από 50 επιστημονικά εργαστήρια σε διάφορα μέρη της Γης μεταφέρεται μέσω δορυφόρων στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στη Γαλλία, όπου υπολογίζεται ο μέσος όρος. Αυτός ο μέσος όρος ονομάζεται διεθνής ατομικός χρόνος (TAI) (ή Temps Atomique International). Η διαφορά κάθε ατομικού ρολογιού από τον ΤΑΙ δημοσιεύεται κάθε μήνα. Έτσι κάθε εργαστήριο γνωρίζει πόσο διαφέρει ο χρόνος του από τον ΤΑΙ και επομένως μπορεί να υπολογίσει τον ΤΑΙ.

Στη συνέχεια αφαιρώντας τα διορθωτικά δευτερόλεπτα που ισχύουν εκείνη τη χρονική περίοδο παράγουν το χρόνο UTC (Universal Time Coordinated). Ο πολιτικός χρόνος κάθε χώρας διαφέρει κατά μία ορισμένη τιμή από τον UTC, τις περισσότερες φορές έναν ακέραιο αριθμό ωρών. Π.χ. η ώρα Ελλάδας βρίσκεται 2 ώρες μπροστά από UTC την χειμερινή περίοδο και 3 ώρες μπροστά από UTC κατά τη θερινή περίοδο.

Τα διορθωτικά δευτερόλεπτα αυξάνονται κατά 1 συνήθως στο τέλος Ιουνίου ή στο τέλος Δεκεμβρίου. Για παράδειγμα το τελευταίο λεπτό του Ιουνίου 2015 είχε 61 δευτερόλεπτα αντί για 60, οπότε ο χρόνος UTC πήγε πίσω 1sec. Τα διορθωτικά δευτερόλεπτα ήταν μέχρι τότε 35 και αμέσως μετά έγιναν 36. Η επόμενη αλλαγή έχει προγραμματιστεί για το τέλος Δεκεμβρίου του 2016, οπότε τα διορθωτικά δευτερόλεπτα θα γίνουν 37. Η προσθήκη ενός επί πλέον διορθωτικού δευτερολέπτου γίνεται όταν η μέση ηλιακή μέρα μείνει πίσω σε σχέση με τον TAI κατά τουλάχιστον 0,7s.

Δείτε σχετικά εδώ, ή το αρχείο pdf: RELATIONSHIP BETWEEN TAI AND UTC

Ακριβής χρόνος για όλους

Σε διάφορα μέρη στη Γη υπάρχουν πομποί ραδιοκυμάτων που εκπέμπουν συνεχώς τον χρόνο UTC ή τον τοπικό χρόνο, σε ψηφιακή μορφή. Υπάρχουν ρολόγια που είναι σχεδιασμένα να λαμβάνουν σε ορισμένες χρονικές στιγμές το σήμα κάποιου τέτοιου πομπού και ρυθμίζουν μόνα τους την ώρα. Έτσι έχουμε πάντα απολύτως ακριβή χρόνο, χωρίς να χρειάζεται να ρυθμίσουμε το ρολόι μας.

Ο πλησιέστερος σε εμάς πομπός αυτού του είδους βρίσκεται στο Mainflingen της Γερμανίας, εκπέμπει σε συχνότητα φέροντος 77,5kHz και ονομάζεται DCF77. Τη νύχτα το σήμα του πομπού λαμβάνεται άνετα στην περιοχή μας.