Πώς μετράτε το δευτερόλεπτο;
Ένα δευτερόλεπτο ορίζεται ως η διάρκεια 9.192.631.770 περιόδων της ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στη μετάβαση μεταξύ των δύο υπερλεπτών επιπέδων της θεμελιώδους κατάστασης ενός ατόμου καισίου 133.
Έχουν περάσει 13,6 δισεκατομμύρια χρόνια από τη Μεγάλη Έκρηξη, και καθώς είναι άσκοπο να αναρωτιόμαστε τι συνέβη πριν από αυτήν, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η Μεγάλη Έκρηξη ήταν το γεγονός όπου γεννήθηκε η έννοια του χρόνου. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν το χρόνο ως εργαλείο για να παρακολουθούν τα γεγονότα και να διαφοροποιούν το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον εδώ και χιλιάδες χρόνια. Ωστόσο, αν μετρήθηκε ως απόλυτο, με τη Μεγάλη Έκρηξη να λαμβάνει χώρα ως το πρώτο δευτερόλεπτο, τότε θα ήταν απίστευτα κουραστικό να παρακολουθούμε. Επομένως, η μέτρηση του χρόνου είναι στην πραγματικότητα η διαδικασία σύγκρισης της διάρκειας και των διαστημάτων μεταξύ των γεγονότων, όχι η πραγματική ακολουθία των γεγονότων.
Τα συμβάντα προχωρούν πάντα προς τα εμπρός
Για να κατανοήσετε την πραγματική σημασία του χρόνου, εξετάστε ένα απλό πρόβλημα της πραγματικής ζωής. Αν έπρεπε να συναντήσετε κάποιον και να του εξηγήσετε πού θα γίνει η συνάντηση, πιθανότατα θα του λέγατε την ακριβή διεύθυνσή σας και την ώρα που θα είστε διαθέσιμοι. Η διεύθυνση εξηγεί τη θέση σας στο σύμπαν και αντιπροσωπεύει τις τρεις χωρικές διαστάσεις. Η τέταρτη διάσταση, ο χρόνος, είναι επίσης μια απαραίτητη πληροφορία για να ξέρετε αν θα ήσασταν εκεί για να τους συναντήσετε ή όχι. Αυτές οι τέσσερις διαστάσεις πρέπει να καθοριστούν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σωστή πρόβλεψη της θέσης ενός αντικειμένου στο χωροχρόνο.
Πρώτο ατομικό ρολόι
Ορισμός δευτερολέπτου
Υπάρχουν δύο μεγάλες αντικρουόμενες ερμηνείες του χρόνου. Μια άποψη είναι ότι ο χρόνος είναι ένα θεμελιώδες μέρος του σύμπαντος, μια διάσταση στην οποία συμβαίνουν γεγονότα, αν και ο ίδιος ο χρόνος είναι ανεξάρτητος από αυτά τα γεγονότα. Η δεύτερη άποψη είναι ότι ο χρόνος δεν είναι ούτε μετρήσιμος ούτε μπορεί να διανυθεί. Το αν το πέρασμα του χρόνου είναι «αισθητό» ως αίσθηση είναι ακόμα θέμα συζήτησης. 
Η χρονική μέτρηση ξεκίνησε πριν από περίπου 6.000 χρόνια, όταν το φεγγάρι χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση του χρόνου που περνούσε. Τότε άρχισαν να εμφανίζονται ημερολόγια, με τη φαινομενική κίνηση του Ήλιου ως μέθοδο μέτρησης. Σταδιακά, οι άνθρωποι ένιωσαν την ανάγκη να παρακολουθούν την αλλαγή της ώρας κατά τη διάρκεια μιας ημέρας, έτσι γεννήθηκε το «ρολόι». Οι αριθμοί δώδεκα και δεκατρείς εμφανίστηκαν εξέχοντα σε πολλούς πολιτισμούς, τουλάχιστον εν μέρει λόγω της ομοιότητάς τους με τον αριθμό των μηνών ενός έτους. 
Από το 1967, ο ορισμός της βασικής μονάδας για το χρόνο επιλέχθηκε ως «δεύτερος». Σύμφωνα με το Διεθνές Σύστημα Μονάδων, το οποίο εκχωρεί μονάδες SI σε φυσικά μεγέθη, ορίζεται ένα δευτερόλεπτο σε σχέση με το χρόνο που χρειάζεται για να ταλαντωθεί ένα άτομο καισίου. Για να είμαστε τεχνικά ακριβείς, ένα δευτερόλεπτο ορίζεται ως η διάρκεια 9.192.631.770 περιόδων της ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στη μετάβαση μεταξύ των δύο υπερλεπτών επιπέδων της θεμελιώδους κατάστασης ενός ατόμου καισίου 133. Αν και αυτό μπορεί να είναι λίγο δύσκολο να το καταλάβουμε, αυτό που στην πραγματικότητα μεταδίδει είναι ότι το ρολόι καισίου είναι απίστευτα ακριβές. Είναι τόσο ακριβές που για 30 ημέρες, έχει ένα σφάλμα μόλις 1 νανοδευτερόλεπτο, το οποίο είναι 10^-9 (χιλιοστό του χιλιοστού του χιλιοστού) του πραγματικού δευτερολέπτου.
Άτομο καισίου
Σημασία της ακρίβειας της μέτρησης ενός δευτερολέπτου;
Αν και η ακρίβεια τέτοιων μεθόδων μέτρησης δύσκολα μπορεί να γίνει αντιληπτή από τον άνθρωπο, είναι πολύ σημαντική για την πλοήγηση GPS. Πολλοί δορυφόροι που περιστρέφονται γύρω από τη Γη σε μια γεωστατική τροχιά χρησιμοποιούνται για σκοπούς πλοήγησης. Αυτή η τεχνολογική πρόοδος, που χρησιμοποιείται από εμάς με τη μορφή GPS, εξαρτάται ιδιαίτερα από τη μέτρηση του χρόνου. Ο λόγος για τον οποίο τα ρολόγια αντιμετωπίζουν προβλήματα στους δορυφόρους είναι πραγματικά πολύ ενδιαφέρον. Για να το καταλάβουμε, ωστόσο, πρέπει να εμβαθύνουμε σε κάτι πιο τεχνικό που ονομάζεται «Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας». 
Στη θεωρία της σχετικότητας, ο Αϊνστάιν εξηγεί ότι ο χρόνος κινείται πιο αργά για ένα ρολόι σε έναν δορυφόρο που περιστρέφεται γύρω από τη Γη. Αυτή η επίδραση δεν προκύπτει ούτε από τεχνικές πτυχές των ρολογιών, ούτε από τον χρόνο διάδοσης των σημάτων, αλλά μάλλον από τη φύση του χωροχρόνου. Εάν η μάζα της Γης αυξανόταν, ο χρόνος θα κυλούσε ακόμη πιο αργά για τα ρολόγια του δορυφόρου. Η σχετικότητα προβλέπει ότι τα ενσωματωμένα ατομικά ρολόγια των δορυφόρων θα πρέπει να μένουν πίσω από τα ρολόγια στην επιφάνεια της Γης κατά περίπου 7 μικροδευτερόλεπτα την ημέρα ως αποτέλεσμα του πιο αργού ρυθμού, που προκαλείται από το φαινόμενο διαστολής του χρόνου της σχετικής κίνησής τους γύρω από τη Γη. /P>
Ένας δορυφόρος GPS
Απαιτείται εξαιρετική ακρίβεια για ένα σύστημα GPS, οπότε αν δεν ληφθούν υπόψη αυτά τα φαινόμενα χρονικής διαστολής, τα σφάλματα στον παγκόσμιο εντοπισμό θέσης θα συνεχίσουν να συσσωρεύονται με ρυθμό 10 χιλιομέτρων την ημέρα! Το όλο σύστημα θα ήταν εντελώς άχρηστο σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Κάθε δορυφόρος χρειάζεται να επαναφέρει τα ρολόγια του κάθε μέρα για να αντισταθμίσει αυτές τις απώλειες. Τα σφάλματα των 7 μικροδευτερόλεπτων την ημέρα μπορεί να μην φαίνονται πολλά στην ανθρώπινη χρονική κλίμακα, αλλά ένα ατομικό ρολόι όπως αυτό που χρησιμοποιεί το καίσιο 133 μπορεί εύκολα να το εντοπίσει.
Αλλαγή στον ορισμό του δευτερολέπτου
Ξέρουμε λοιπόν ότι το σύστημα SI μετρά ένα δευτερόλεπτο ως προς τις ταλαντώσεις ενός ατόμου καισίου 133, αλλά ερευνητές στη Γερμανία βρήκαν έναν τρόπο να φτιάξουν το πιο ακριβές ρολόι που δημιουργήθηκε ποτέ. Αυτό το νέο ρολόι χρησιμοποιεί αντ' αυτού άτομα στροντίου, τα οποία ταλαντώνονται ακόμη πιο γρήγορα από τα άτομα καισίου. Εάν ένα δευτερόλεπτο οριζόταν ως προς το στρόντιο, η ισοδύναμη μονάδα SI θα ήταν έως και 429.000 δισεκατομμύρια κύκλοι, που είναι 50.000 φορές περισσότερο από τον αριθμό σε έναν κύκλο καισίου. Ενώ το ρολόι καισίου έχασε 1 νανοδευτερόλεπτο σε 30 ημέρες, το νέο ρολόι στροντίου θα έχανε μόνο 0,2 νανοδευτερόλεπτα σε 30 ημέρες. Αυτή η πενταπλάσια αύξηση της ακρίβειας θα ήταν πολύ επωφελής για τις τράπεζες των οποίων οι χρηματοοικονομικές μεταφορές εξαρτώνται από χρονικά διαστήματα.
Άτομο στροντίου
Με άλλα λόγια, αν το ρολόι του στροντίου ήταν σε λειτουργία από τη Μεγάλη Έκρηξη, θα είχε χάσει μόνο 100 δευτερόλεπτα σε 13,6 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό το είδος ακρίβειας αλλάζει τη διάρκεια των δευτερολέπτων, των λεπτών και των ωρών κατά ένα μικροσκοπικό ποσό, αλλά βελτιώνει την ακρίβεια ενός ατομικού ρολογιού εκθετικά. Με αυτή την αλλαγή πλήρως ενσωματωμένη στους δορυφόρους, η ανάγκη για συνεχή τήρηση χρόνου θα μειωνόταν, οδηγώντας σε καλύτερη τεχνολογία εντοπισμού θέσης. Αν και η αλλαγή του ορισμού του χρόνου μπορεί να διαρκέσει δεκαετίες, λόγω των αναπόφευκτων προβλημάτων συνεργασίας μεταξύ διαφορετικών τομέων, σίγουρα θα συμβεί τελικά.
Τεχνικά, ο χρόνος θα κινούνταν πιο αργά για όλες τις προθέσεις και σκοπούς λόγω αυτής της απλής αλλαγής στη μέτρηση του χρόνου. Μπορεί να ειπωθεί ότι αυτοί οι Γερμανοί επιστήμονες πήραν ένα συγκεκριμένο ρητό πολύ σοβαρά:«Δεν είναι να έχεις χρόνο, αλλά να το φτιάξεις». Επίσης, αυτό μπορεί να είναι καλό νέο για όλους τους αναβλητικούς εκεί έξω, αν και όπως είπαμε, αυτή η αλλαγή πιθανότατα δεν θα γίνει ποτέ αντιληπτή από εσάς!
