زمان نگاری در طول تاریخ

 

حـــــــدود شش قرن قبل از ميلاد، بابلي ها «در عصر امپراطوریروم» چند مورد ابداعي از خود بجای گذاشته اند که امروزه نيز مورد استفاده کليه کشورها ست . مرسوم داشتن هفت روز هفته و تعيين عدد پايه 60 برای ساعت، از يادگارهای بابلي ها بشمار ميرود . بابلي ها عقيده داشتند چون عدد 60 به اعداد 1 ، 2 ، 3 ، 5 ، 6 ، 10 ، 15 ، 20 ،  30 قابل تقسيم است . لذا، اين عدد را پايه در نظر گرفته و مبنای تقسيم بندی ساعت قرار دادند . همچنين تقسيم بندی دايره به 360 درجه «مضربي از 60 از کارهای بابلي ها ميباشد

بــــــد نيست بدانيم که در گذشته بشر برای دانستن وقت و ايام، با توجه به تجربه و دانش زمانه، ساعت هائي را اختراع کرده و مورد استفاده قرار داده است، که مهمترين آنها عبارتند از

 ســـــــــــاعت آبي:

 در اين نوع ساعت، از جريان يک نواخت آب استتفاده ميشد، باين ترتيب که داخل ظرف مدرج سوراخ دار را با آب پر ميکردند که آب قطره قطره از سوراخ کوچک مي چکيده، و با توجه به مقدار آب خروجي، زمان تا حدودی معلوم ميشده است

ســـــــــــاعت آفتابي:

در ساعت خورشيدی، ميله ای عمودی بر سطح افقي نصب ميشده وبااندازه گيری سايه آن ميله و زمان معلوم ميگرديد

ســـــــــــاعت شني يا ماسه ای :

 تشکيل ميشده از دو حباب شيشه ای چسبيده بهم که ميان آن، سوراخ باريکي برای رد شدن شن يا ماسه تعبيه ميکردند، تا شنها بتدريج از حباب بالا به حباب پايين جمع شود . بعد ظرف را وارونه ميکردند و همان عمل تکرار ميشد . با معلوم شدن تعداد دفعات جابجا شده شن ها در حبابها، حدود تقريبي زمان مشخص ميگرديد

       

 

● ساعت فنري

ابداع فنر براي ايجاد نيروي محرکه ساعت ، امکان ساخت ابزارهاي زمان سنجي بسيار کوچکتر و پيشرفته تر را فراهم آورد. ساعتهاي مکانيکي قديمي تر ، بزرگ بودند و براي ايجاد نيروي محرک خود به وزنه هايي که سقوط مي کردند، وابستگي داشتند. فنر مارپيچ نخستين بار حدود سال ۱۴۵۰ ميلادي در ايتاليا مورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۵۰۰ شخصي بنام پيتر هنلين (Peter Henlein) که اهل شهر نونبرگ آلمان بود شروع به توليد نخستين زمان سنجهاي قابل حمل نمود که آنها را “تخم مرغهاي نورنبرگي” مي ناميدند. اين ساعتها تنها يک عقربه ساعت شمار داشتند و صفحه آنها در بالا و در تماس با هوا قرار داشت. يکي از مشکلات اين ساعتهاي فنري اوليه اين بود که با باز شدن تدريجي فنر اصلي ، کارکرد آنها کندتر مي شد.

در سال ۱۵۲۵ ژاکوب چک اهل پراگ نوعي قرقره مارپيچ يا رقاصک را ابداع کرد که کار آن يکسان سازي کشش غير همگن فنر معمولي بود. اختراع رقاصک باعث افزايش دقت ابزارهاي برخوردار از نيروي محرک فنري گرديد. با اين حال ساز و کار داخلي ساعتهاي فنري هنوز هم نسبتا ساده بود و ساعتها عقربه دقيقه شمار نداشتند. در سال ۱۶۷۰ ميلادي نوعي پوشش شيشه اي براي حفاظت صفحه ساعت ابداع شد و عقربه دقيقه شمار به مجموعه اضافه گرديد.

شبکه دوار يک ساعت مجموعه اي از چرخ دنده هاي متحرک است که نيروي محرک را از فنر به عقربه ساعت منتقل مي کند و دوران چرخ دنده ها توسط يک چرخ دنده قفلي تنظيم مي شود. در اين ابزار يک جفت زائده فلزي وجود دارد که به تناوب محرک تأثير مي گذارد و حاکم بر دقت زمان سنجي است. سرعت حرکت چرخ دنده ها طوري طراحي مي شود که يکي از محورها (معمولا محور دوم يا سوم) يک بار در ساعت دوران مي کند و مي توان از آن براي نمايش دقيقه ها استفاده کرد. يک چرخ دنده با نسبت ساده يک به ۱۲ براي حرکت دادن عقربه ساعت شمار مورد استفاده قرار مي گيرد. ساز و کار فنر به گونه اي تنظيم شده است که مي توان آن را دوباره کوک کرد و عقربه ها داراي يک کلاج ساده خلاص کننده اند که امکان تنظيم آنها را در موقعيت صحيح فراهم مي آورد

● ساعتهاي الکتريکي

ساعتهاي الکتريکي نوين براي زمان سنجي از ويژگيهاي دقيق منابع انرژي الکتريکي استفاده مي کنند. دقت اينگونه ساعتها وابسته به نظم جرياني است که توسط نيروگاه برق تأمين مي شود. در ساعتهاي الکتريکي اوليه ، الکتريسيته به عنوان منبع انرژي ساعت جايگزين وزنه هاي آويخته و فنر گرديده بود. نخستين ساعت الکتريکي که در سال ۱۸۴۰ ميلادي ساخته شد، با باتري کار مي کرد. گر چه در اين ساعت از الکتريسيته براي حرکت دادن برخي از گردونه ها استفاده شده بود ولي هنوز هم يک آونگ ، انرژي ساعت را تأمين مي کردند. پيشرفتهاي آتي با کاربرد تکانه هاي الکتريکي حاصل از حرکت آونگ براي حرکت دادن گردونه ها بدست آمد. اين رويداد منجر به افزايش دقت ساعتها گرديد، زيرا تکانه هاي الکتريکي که بيشتر به عنوان جزئي از مجموعه مکانيکي مطرح بودند، مانعي براي حرکت آونگ را فراهم نمي کردند.

مشهورترين نوع از اين گونه ساعتها ، ساعت آونگي شورت (Shortt Pendulum) است. آونگ شورت متشکل از دو آونگ بود. يک آونگ اصلي يا ارباب و يک آونگ فرعي يا برده. آونگ برده دستگاه تکانه الکتريکي و عقربه ها را فعال مي کرد و باعث مي شد تا آونگ ارباب بدون درگير شدن با عوامل بازدارنده مکانيکي به کار خود ادامه دهد. تحت شرايط مناسب ممکن بود دقت اين ساعت به چند هزارم ثانيه در روز هم برسد. تا زمان ابداع و عرضه ساعتهاي کوارتز از اين گونه ساعتها به عنوان استاندارد زمان سنجي استفاده مي شد.

ساعت الکتريکي خانگي در سال ۱۹۱۸ طراحي شد و به خودي خود ، هيچ ابزار زمان سنجي داخلي نداشت. اين ساعت از ويژگي دقت منبع تأمين نيروي الکتريسيته براي لحظه شماري استفاده مي کرد. بدين ترتيب که نيروگاههاي برق ملزم به توليد و عرضه جريان الکتريکي با تناوب دقيق ۶۰ دور در ثانيه (هرتز) مي باشند. فقط کافي است مجموعه ساده اي از چرخ دنده ها براي راه انداختن موتور محرک عقربه هاي ساعت با سرعتي مناسب بکار گرفته شود. نام ديگر اين نوع از ساعتها ساعت موتور همزمان (Synchronous Motor Clock) اسيت. ساعتهاي موتور همزمان ، امروزه رواج زيادي دارند و براحتي از ساعتهاي کوارتز قابل تشخيص هستند. لازم است دو شاخه اين ساعتها بطور پيوسته در پريز برق باشد. با اين حال پاره اي از آنها براي جلوگيري از خوابيدن ساعت ، هنگام قطع برق ، باتري هم دارند. وقت ساعتهاي موتور همزمان بستگي به دقت جريان توليد شده در نيروگاه برق دارد و آنها بطور معمول تا چندين ثانيه در روز عقب و جلو مي روند.

● ساعت کوارتز

ساعت کوارتز متشکل از يک حلقه از جنس کوارتز در يک مدار الکتريکي است که باعث مي شود تا بين ده هزار هرتز (دور بر ثانيه) نوسان کند. بسامد نوسان بستگي به اندازه و شکل بلور کوارتز دارد و معمولا اين بلورها را طوري مي تراشند که با بسامد صد هزار هرتز نوسان داشته باشند. اين پديده را با عنوان خاصيت پيزوالکتريک کوارتز (Piezoelectric) مي شناسند. نخستين بار در سال ۱۹۲۹ از بلور کوارتز براي زمان سنجي استفاده شد. اين ابداع دقت زمان سنجي را بسيار فراتر از ساعتهاي آونگ دار الکتريکي افزايش داد و در سالهاي دهه ۱۹۳۰ به عنوان استاندارد اندازه گيري زمان جايگزين ساعت شورت (Shortt Clock) گرديدند. ساعتهاي کوارتز اکنون بخاطر هزينه کم و عملکرد عالي ، رايجترين شکل ابزارهاي زمان سنجي را تشکيل مي دهند.

فرکانس (بسامد) بالاي نوسان بلور به جرياني متناوب بدل مي گردد که بسامد آن تا حدي که بيشتر در زمان سنجي قابل استفاده باشد کاهش داده مي شود. جريان از يک موتور مي گذرد و سپس با استفاده از يک شبکه چرخ دنده مکانيکي به صفحه ساعت يا نمايشگر ديجيتال (رقمي) مي رسد. يک سيگنال (علامت) صد هزار هرتز که وارد يک مجموعه چرخ دنده مکانيکي ۶۰۰۰۰۰۰:۱ ترکيبي الکتريکي – مکانيکي مي شود موجب گردش عقربه دقيقه شکار ساعت با سرعت دقيق يک بار در هر ۶۰ ثانيه مي گردد. نوسانهاي حاصل از بلور کوارتز بسيار دقيق هستند و حداکثر خطا براي دقيق ترينم آنها -/+ يک ثانيه در هر ده سال است. ساعتهاي کوارتز نسبت به ساعتهاي آونگ دار از دقت بسيار بيشتري برخوردارند، زيرا اين ساعتها چرخ دنده يا چرخ تاجداري ندارند که موجب آشفتگي بسامدهاي منظم آنها شود. دقت ساعتهاي کوارتز محدود است، زيرا اندازه و شکل بلور بر ارتعاش مکانيکي تأثير مي گذارد و در واقع بروز خطا ناشي از اين مطلب است که هيچ دو بلوري مشابه يکديگر نيست.

● ساعت اتمي

ساعتهاي اتمي روي بسامد امواج الکترومغناطيسي جذب شده ، هنگام برانگيخته شدن الکترونهاي داخل يک اتم از سطح انرژي پايين تر به سطح بالاتر کوک مي شوند. مقدار انرژي دخيل در انتقال يک الکترون در نهايت نظم قرار دارد و تحت تأثير نيروهاي خارجي قرار نمي گيرد. اين امر باعث مي شود که آنها مطلوبترين وسايل استاندارد براي تعيين وقت باشند. نخستين ساعت اتمي توسط مؤسسه ملي استاندارد و فناوري بريتانيا در سال ۱۹۴۹ ساخته شد و عملکرد آن مبتني بر کاربرد ماده آمونياک بود. کارکرد اين ساعت چندان بهتر از دقيق ترين ساعتهاي کوارتز نبود و دانشمندان توجه خود را معطوف به ابزارهاي پرتو اتمي مبتني بر عنصر سزيم کردند.

در ساعت سزيمي براي بمباران اتمهاي ۱۳۳Cs از امواج ميکروويو (ريز موج) استفاده مي شود. بسامد امواج ميکروويو به گونه اي تنظيم مي شود که با ارتقاء الکترونها به سطح جديد ، انرژي را به حداکثر برساند. سپس دوره تناوب امواج ميکروويو (زمان يک موج کامل) از روي بسامد امواج محاسبه مي شود. به اين ترتيب ثانيه به صورت ۷۷۰/۶۳۱/۱۹۲/۹ برابر زمان تناوب ميکروويو مربوط به انتقال کوانتومي ميان دو سطح انرژي تعريف مي شود. در سال ۱۹۶۷ بسامد طبيعي اتمهاي سزيم بطور رسمي به عنوان واحد بين المللي جديد زمان شناخته شد. دقيق ترين ساعت سزيمي کنوني چنان به دقت عمل مي کند که قادر است با درستي ۱± ثانيه در هر سه ميليون سال زمان را بسنجد و به اين ترتيب تقريبا ۳۰۰ هزار بار دقيقتر از ساعتهاي کوارتز کار مي کند. نوع ديگر ساعت اتمي ، ساعت روبيديم است، اين نوع ساعت نيز به روشي مشابه با ساعت سزيم کار مي کند ولي عنصر مورد استفاده در آن ۷۷Rb است.

ساعتهاي روبيديمي به اندازه ساعتهاي سزيمي دقت و ثبات ندارند ولي جمع و جورتر و ارزانتر هستند. عملکرد ساعت هيدروژني و ساعت آمونياکي نيز مبتني بر خواص الکترونها به هنگام حرکت ميان سطوح انرژي داخلي يک اتم مي باشد. با اين حال بجاي اينکه زمان از طريق اندر کنش ريز موجها محاسبه شود، بر اساس تابش الکترومغناطيسي انتشار يافته از اتمهاي برانگيخته محاسبه مي گردد. ساعتهاي اتمي بخش الزامي زندگي نوين را تشکيل مي دهند. ترابري ، ارتباطات ، توليد کالا و انرژي و بسياري از ديگر فناوريها نيازمند زمان سنجي دقيق مي باشند. براي مثال سامانه جهاني تعيين موقعيت (GPS) براي تعيين محل دقيق يک گيرنده در هر کجاي جهان ، از محاسبات بسيار دقيق زماني استفاده مي کند.

● ساعتهاي آينده

در ساعتهاي سزيمي رايج ، اتمها داغ هستند و در حالي که طي مدت زمانهاي کوتاه در حد چند هزارم با سرعتهاي سرسام آور شليک مي شوند، جلزوولز مي کنند! در شکل جديدي از ساعتهاي اتمي که چشمه سزيم ناميده مي شوند، براي جمع آوري اتمها به صورت يک ابر و سرد کردن آنها به گونه اي که باعث حرکت آهسته ترشان شود، از پرتوهاي ليزر استفاده مي شود. اين ابر اتمي به داخل محفظه اي که حاوي امواج ميکروويو مي باشد افشانده مي شود و اجازه مي دهند تا تحت نيروي جاذبه در امتداد همان مسير پسگرد کند. هر چه دوره زماني سپري شده داخل اين محفظه براي اتمها طولاني تر باشد امکان اندازه گيري دقيقتر بسامد رزونانس آنها بيشتر مي شود. آزمايشگاه ملي فيزيک بريتانيا (NLP) مشغول ساخت يک ساعت چشمه سزيم است که دقت آن از يک ثانيه در هر ۱۵ ميليون سال هم بيشتر است.

اکنون ساعتهاي پيشتاز قرن بيستم و يکم ساعتهاي تله يوني هستند. يونها اتمهاي بارداري هستند که بار الکتريکي آنها اين امکان را فراهم مي سازد تا به کمک ميدانهاي مغناطيسي بتوان يونهاي منفرد را به دام انداخت و براي مدت نامحدود نگهداشت. سپس يک پرتو ليزر مي تواند در حالي که يون ، ثابت نگه داشته شده است آن را تا نزديکي صفر مطلق سرد کند. در آزمايشگاه ملي فيزيک بريتانيا براي اين کار فلز يتربيوم را برگزيده اند که نسبت به سزيم فرکانس بسيار بالاتري دارد و تيک تيکهاي قابل شمارش آن زيادترند. اين مطلب باعث مي شود که ثانيه شماري آن دقيق تر باشد. دستيابي به دقتهاي حدود هزار برابر بيشتر از بهترين ساعتهاي اتمي موجود امري ممکن است. چنين دقتي معادل يک ثانيه در تمام طول عمر کيهان و کائنات است

 نوشته : علیرضا شادکام