Aeg mängib meie elus nii olulist rolli, et seda on keeruline sõnadessepanna. Aeg on terve dimensioon võimaldades meil tunnetada mitte ainult ruumi, vaid ka selles toimuvaid muutuseid ja arenguid. Meil pole sellest justkui vaja mõeldagi. See on loomulik. See lihtsalt on.
Kuigi aja mõiste ja tähenduse üle võib pidada lõputult filosoofilisi arutelusid, on füüsikud võtnud küllaltki pragmaatilise lahenduse ja sätestanud, et aeg on see, mida näitab kell. Sellest saame järeldada, et aeg on midagi, mida saab mõõta ning meie arusaam ajast on täpselt nii hea, kui mõõteriist, millega me seda mõõdame.
Loodus kui ajanäitaja
Inimkonna ajaloo vältel oleme otsinud ja leiutanud järjest täpsemaid kellasid. Üldiselt on aja mõõtmiseks vaja lihtsalt midagi, mis toimub perioodiliselt ja ette ennustatavalt. Eelajaloolistele inimestele sobisid selleks väga edukalt näiteks taevakehade liikumine. Päikese paiknemine taevalaotuses aitas määrata aega ja taevakehade asendi järgi oli võimalik luua kalendreid.
Nõudlus järjest paremate kellade järele on inimesi väga loominguliseks muutnud. Leiutatud on kellasid, mis kasutavad päikest, küünlaid, liiva, vett, pendleid jpm. Järjest täpsemad kellad on meid sundinud mitu korda ümber mõtlema ka seda, kuidas me üldse defineerime aega.
On lihtne mõelda, et ööpäeva pikkus on 24 tundi, järelikult 1 tund on 1/24 ööpäevast, 1 minut on sellest 60 korda väiksem ja 1 sekund omakorda sellest 60 korda väiksem. Kahjuks puudub looduses selline korrapära ning öö ja päeva vaheldumist tekitava maa pöörlemise kiirus on muutuv. Just selle variatsiooni pärast lisataksegi iga mingi aja tagant aasta lõpus üks sekund kellale juurde. Meie arusaam sekundist on muutunud nii täpseks, et suudame tajuda imepisikesi muutuseid maa pöörlemise kiiruses ja kuna me ei saa muuta pidevalt sekundi pikkust, peame me lihtsalt korrigeerima oma kellasid, et need vastaksid loodusele.
Kui pikk on üks sekund?
Nagu meie esivanemad, defineerime ka meie sekundit looduse järgi. Öö ja päeva vaheldumise asemel oleme me võtnud allikaks aga midagi oluliselt stabiilsemat – tseesium-133 aatomi. Rahvusvahelise standardi järgi on sekund defineeritud ajavahemikuna, mis on võrdne tseesium-133 aatomi põhioleku kahe ülipeenstruktuurinivoo vahelisele üleminekule vastava kiirguse 9 192 631 770 võnkeperioodiga.
Sekundi ametlik definitsioon võib olla keeruline mõista, aga tegelikkuses on selle taga samasugune perioodilisus nagu näiteks pendliga töötava kella puhul. Pendel liigub edasi ja tagasi mingi kindla arvu kordi mingi ajavahemiku tagant ja meie saame sellest tuletada meile olulised sekundid, minutid ja tunnid. Tseesiumis toimub ka millegi võnkumine ja me saame seda mõõta. Võrreldes pendliga on see küll oluliselt kiirem, aga teisalt ka oluliselt täpsem.
Tseesiumi valik sekundi definitsiooniks oli ka väga praktiline valik. See võimaldas meil ehitada väga täpseid aatomkellasid.
Kvartskelladest aatomkelladeni
Selleks, et mõista aatomkellasid, peame kõigepealt rääkima kvartskelladest. Kvartsi kasutamine kellades oli revolutsiooniline muutus. See tõi kaasa vähemalt kümme korda suurema täpsuse kui mehhaanilised kellad ja muutis nende tootmise odavamaks. Tänini töötavad enamik meid ümbritsevaid kellasid kvartsi abil.
Kvarts on piesoelektriline materjal. Kui seda kokku suruda, siis tekitabsee elektrivoolu. Kui sellest aga voolu läbi juhtida, siis hakkab see mingil kindlal sagedusel vibreerima. Kvartskellad on ehitatud nii, et kvarts pannakse patarei abil võnkuma täpselt 32 768 korda sekundis. Nii on võimalik kella sees mõõta väga täpselt ühe sekundi möödumist ja liigutada seierit.
Kvartskellad on piisavalt täpsed igapäevaseks kasutamiseks, kuid on palju olukordi, mil neist ei piisa. Kvartsi võnkesagedus muutub veidi olenevalt temperatuurist ja rõhust. See toob kaasa umbes ühe sekundilise ebatäpsuse kuu aja jooksul. See muudaks mitmed seadmed, nagu näiteks GPS-i süsteemi täiesti kasutamatuks.
Maad ümbritsevad GPS satelliidid saadavad vastuvõtjatele informatsiooni oma positsiooni ja täpse aja kohta. Vastuvõtjas arvutatakse selle põhjal välja täpne paiknemine maakera pinnal. Kuna aeg mängib selles arvutuses kriitilist rolli, tähendaks isegi väga väike ebatäpsus satelliidi kellas väga suurt ebatäpsust positsiooni määramisel.
Nii ongi tulnud kasutusele aatomkellad, milleskasutatavad elektronmagnetvõnkumised suudavad seda täpsust tagada. Sekundi definitsioonist tuntud tseesiumi võngete mõõtmisel on võimalik ehitada kellasid, milles ilmneb ühesekundiline viga alles mitmekümne miljoni aasta tagant. Kasutades näiteks rubiidiumi või vesiniku aatomeid, on võimalik saavutada veelgi suurem täpsus.
Ka aatomkellad toimivad sisuliselt kvartsi resoneerimise abil. Kvartsist tulenevat ebatäpsust reguleeritakse aga aatomi elektromagnetvõnkumise abil. Vajalik aatomi olek saadakse kvartsi poolt kontrollitud radiatsiooni allikaga. Kui kvartsi võnkumine läheb paigast ära, saab kellas olev mõõteriist seda korrigeerida, et radiatsiooni lainepikkus tseesiumi jaoks oleks jälle õige. See tagasiside süsteem annabki väga suure täpsuse.
Kuhu edasi?
Kuna aeg mängib meie elus, tehnoloogias ja teaduses nii olulist rolli, püüavad teadlased pidevalt järjest täpsemaid kellasid ehitada. Ülitäpsetes teaduseksperimentides võib ka ühe sekundiline ebatäpsus mitmekümne miljoni aasta jooksul olla probleemiks. Õnneks tundub, et nii vana leiutistnagu kell, saab veel täiendada küll.
Saksa füüsikud on ehitanud näiteks üterbiumi ioonide liikumisel põhineva kella. Kellas mõõdetakse üterbiumi ioonide vibreerimise sagedust kahe erineva energiataseme vahel. Lugedes ioonide vibreerimist defineeritud sekundi jooksul on võimalik luua kell, mille viga ei jõua ühe sekundini isegi mitme miljardi aasta jooksul.
Sellised kellad, mis on veel mitmeid suurusjärke täpsemad kui enamlevinud aatomkellad, on pannud füüsikuid mõtlema, kas aja definitsiooni oleks jälle vaja korrigeerida. Lõpuks on aeg ju suhteline. Oluline on valida standard, mis on võimalikult täpne ja praktiline kasutada. Kindel on aga see, et hoolimata tuhandeid aastaid kestnud arendustööst pole kell kunagi lõplikult valmis. Me mõõdame aega täpsemalt kui ükskõik mida. Alati saab aga veel täpsemaks minnaja meie kasvavad nõudmised elektroonikale leiavad uutele kelladele kindlasti ka rakenduse.
Foto: halfrain\Flickr
