Fx: Merjenje časa, gost prof.dr. Pacôme Delva

Osrednja tema Frekvence X je bil čas. Kako ga merimo in definiramo, zakaj postaja uskladitev ur vse bolj pomembna, kakšno praktično uporabnost ima točen čas v vsakdanjem življenju, izboljšave merjenja s sateliti in kako teorija relativnosti  vstopa v vsakdanje življenje?

Merjenje časa je bilo pomembno že od pradavnine. Leto, ki ima astronomski izvor v kroženju Zemlje okoli Sonca, meri ponavljanje letnih časov. Tudi tednu in mesecu bi lahko pripisali astronomski izvor, to je dolžino Lunine mene in čas, v katerem Luna obkroži Zemljo. Vendar je bilo sedem, poleg števila dni v tednu, tudi število planetov in lun, ki so jih poznali od pradavnine.

Tudi dvanajst mesecev v letu so uvedli šele Rimljani, ko so v poklon Juliju Cezarju in Avgustu dodali poletna meseca. Ni nemogoče, da se take časti še danes ne bi branil kak novodobni politik. Dan je seveda povezan z vrtenjem Zemlje okoli osi, krajše enote pa so bolj stvar dogovora. Tako ima najbrž dan 24 ur in ta 60 minut s po 60 sekundami zaradi lepe deljivosti. Število 24 je namreč deljivo z 2, 3, 4, 6, 8 in 12, število 60 pa z 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20 in 30.

Osnovna enota za merjenje časa je danes sekunda

Čeprav ima sekunda astronomski izvor, jo danes definiramo z lastnostmi atomov. Tako je sekunda čas, v katerem naštejemo 9,192,631,770 nihajev svetlobe, ki nastane ob hiperfinem prehodu osnovnega stanja cezijevega atoma. Natančno merjenje časa je danes izjemno pomembno. Ker hitrost svetlobe poznamo izjemno natančno, je tudi merjenje razdalje najbolje izvesti tako, da čas, ki ga svetloba potrebuje za določeno razdaljo, pomnožimo s svetlobno hitrostjo.

Nerodno je le, da gre svetloba zelo hitro

V praznem prostoru za razdaljo do Lune potrebuje komaj dobro sekundo, iz Evrope do Severne Amerike je v petdesetinki sekunde, razdaljo treh metrov pa preleti v stotini milijoninke sekunde. In danes bi svoj položaj na Zemlji hoteli meriti natančneje od enega metra. Pri tolikšni točnosti merjenja časa stvari postanejo zapletene. Satelitski navigacijski sistemi oddajajo s hitro krožečih satelitov, ki čutijo drugačno gravitacijsko polje kot uporabniki na površini.

Torej tudi čas na satelitih in za uporabnike teče različno hitro. Dobro merjenje časa mora zato kar najbolje vključiti posebno in splošno Einsteinovo teorijo relativnosti. Dandanes relativnostni teoriji uporablja vsak mobilni telefon ali avtomobilska navigacijska naprava. Vendar  nastajajoči evropski navigacijski sistem Galileo zahteva večjo točnost. S tem se ukvarja tudi naš današnji gost. Več o zgodovini in sedanjih izzivih merjenja časa lahko preberemo v knjigi Davida Duncana: Koledar. Knjigo imamo skupaj z odlično spremno besedo dr. Saše Dolenca tudi v slovenščini.

__________________________________________________

Gost oddaje je dr. Pacôme Delva,  profesor na univerzi Pariz 6 in raziskovalec v laboratoriju SYRTE na pariškem astronomskem observatoriju. Kratico laboratorija bi lahko prevedli kot Referenčni sistemi v prostoru in času, kar lahko povežemo z dejstvom, da prav pariški Urad za mere in uteži skrbi za usklajeni svetovni čas. Tam hranijo tudi tako imenovani prakilogram. Področje njegovih raziskav  je teoretična astrofizika. Konkretno raziskuje Einsteinovo splošno teorijo relativnosti in gravitacijske valove. Pred kratkim se je na Brdu pri Kranju udeležil konference Evropske vesoljske agencije z naslovom Relativistični navigacijski sistemi in njihova znanstvena uporaba. Sodeluje tudi s sodelavci projekta Evropske vesoljske agencije, ki se ukvarja s to tematiko in teče na fakulteti za matematiko in fiziko univerze v Ljubljani.

Dr. Delva, uskladitev naših ur postaja čedalje bolj pomembna. Za številne ljudi je to preprosto nastavljanje ure na točni čas ob začetku radijskih novic. Toda v znanosti zahtevate veliko večjo natančnost, na primer usklajenost na milijardinko sekunde natančno. Milijarda je velika številka: toliko sekund se na primer nabere šele v 30 letih. Zakaj bi se tako radi približali popolnosti? Ima tako točen čas kakšno praktično uporabo v vsakdanjem življenju?

Milijardinka sekunde niti ni naše področje. V laboratoriju izdelujemo še bolj točne in stabilne ure. Milijardinka sekunde je v vsakdanjem življenju uporabna za GPS oziroma za sistem satelitske navigacije Galileo. Napaka milijardinke sekunde v enem dnevu pomeni napako enega metra pri določanju lege. Napaka, večja od enega metra, bi bila prevelika. Satelitska navigacija je zelo dober primer. Navigacijo v vsakdanjem življenju pogosto uporabljamo: v letalstvu, kopenskem prevozu in celo v kmetijstvu.

Zdi se, da se umerjanje točnega časa seli z zemeljskega površja v vesolje. Načrtujete poskuse na Mednarodni vesoljski postaji, tudi Evropski navigacijski satelitski sistem Galileo bo uporabljal in zagotavljal izjemno točen čas. Zakaj selitev v vesolje in kakšne bodo zmožnosti sistema Galileo na tem področju?

Kot sem že omenil, bo sistem Galileo imel zelo stabilne in točne ure, kar je potrebno za določanje lege na en meter natančno. Še bolj natančno določanje lege je potrebno tudi za preučevanje temeljnih zakonov fizike, na primer gravitacije. Einstein je napovedal, da je tiktakanje ure lahko hitrejše ali počasnejše, odvisno od njene hitrosti in lege v gravitacijskem polju Zemlje. Tako na primer ura v vesolju teče počasneje kot na površju Zemlje. S primerjavo ure v vesolju z uro na Zemlji je mogoče preverjati pravilnost osnovnih zakonov, na katerih danes temelji vsa fizika.

Ta dokaz je za nas zelo pomemben. Sodelujem pri skupnem poskusu Evropske vesoljske agencije in Francoske vesoljske agencije. Na krov Mednarodne vesoljske postaje naj bi spravili zelo točno uro. Na Zemlji bo več sprejemnih anten. Primerjali bomo ure in tako preverili veljavnost osnovnih zakonov fizike. Na ure na tleh vpliva masa Zemlje. Zamislili smo si, da bi se v prihodnosti še bolj oddaljili od Zemlje in uro postavili v vesolje. Z univerzo v Ljubljani sodelujem pri projektu, da bi čas, izmerjen z uro v vesolju, dobili že iz ur v sistemu Galileo. Mislim, da bomo v prihodnosti imeli še bolj točne ure, tako imenovane optične ure. Uporabljali jih bomo lahko za merjenje jakosti gravitacijskega polja Zemlje in njene rotacije ter ugotavljanje razporeditve mase, oblike, geologije, prevodnosti in podobno.

Zelo dejavni ste tudi pri raziskavah gravitacijskih valov, ki nastanejo ob hitrih premikih zelo masivnih teles. Nastanek teh valov je bil posredno potrjen z opazovanji hitro krožečih dvojnih zvezd, za kar je že bila podeljena tudi Nobelova nagrada za fiziko. Vendar gravitacijskih valov neposredno niso nikoli zaznali. Zadnji teden so razglasili letošnje Nobelove nagrajence. Kako blizu Nobelovi nagradi za odkritje gravitacijskih valov smo po vašem mnenju? Kaj lahko izvemo iz takega odkritja?

Treba je povedati, da si zelo prizadevajo, da bi neposredno zaznali gravitacijske valove. Eden izmed načinov, s katerim se ukvarjajo že 20 let, je tudi uporaba orjaških laserskih interferometrov. To so laserji z dvema rokama, dolgima po en kilometer. Tako je mogoče zelo natančno meriti dolžino posamezne roke in ugotavljati, ali je šlo skozi gravitacijsko valovanje.

Danes je več takih orjaških laserskih interferometrov. Virgo v Italiji, Geo v Nemčiji in Ligo v Združenih državah Amerike. Nekaj meritev je že bilo opravljenih, toda gravitacijskih valov še niso neposredno zaznali. Zdaj se ukvarjajo z izboljšavami. To bo trajalo več let. Upamo, da bo potem mogoče dokazati obstoj teh valov. Obstajajo pa še druge poti. Evropska vesoljska agencija načrtuje izstrelitev satelita. Tako bi laserski interferometer postavili v vesolju. Sam sodelujem pri projektu, ki uporablja interferometre de Brogliejevih valov, s katerimi bi izboljšali meritve laserskih interferometrov.

Novejša in zelo obetavna metoda je uporaba signalov pulzarjev, ki so kot nekakšne ure zelo oddaljene od Zemlje. Upamo, da bomo ob pomoči teh signalov zaznali tudi gravitacijske valove. Zakaj vse te različne metode? Gravitacijski valovi so podobni elektromagnetnemu valovanju. To pomeni, da je razpon frekvenc zelo velik. Poleg vidne svetlobe tako poznamo še ultravijolične žarke, rentgenske žarke. Enako je pri gravitacijskih valovih. Imajo lahko visoko frekvenco, nizko frekvenco, zelo nizko frekvenco. Vse te metode merijo različne frekvence. Z zaznavanjem različnih frekvenc bo mogoče opazovati zelo skrajne dogodke v vesolju, ki jih danes ne moremo videti, ker ne oddajajo svetlobe, ampak gravitacijske valove. To bo začetek nove fizike, fizike črnih lukenj in nevtronskih zvezd oziroma v nizkofrekvenčnem spektru celo fizike zgodnjega vesolja. To je zelo obetavno področje astronomije.

Profesor, še zadnje vprašanje. Raziskujete na področju teoretične astrofizike in nekateri pojavi splošne teorije relativnosti, s katerimi se ukvarjate, se zdijo odmaknjeni od vsakdanjega življenja. Napisali pa ste tudi knjigo z zanimivim naslovom: “Po vesolju korak za korakom: 15 astronomskih poskusov za vsakogar.” Nam lahko predstavite kako svojo zamisel?

Pravzaprav ne gre za moje zamisli. Nekaj časa sem delal za francosko znanstveno združenje, ki se imenuje Planet znanost. Pripravil sem nekaj projektov za mlade v šoli in zunaj nje. Sklenili smo, da bomo skupaj napisali knjigo, da bi z drugimi delili te zelo preproste astronomske poskuse, ki so dostopnim vsakomur, doma ali v šoli. Med njimi je tudi poskus merjenja dolžine dneva. Vsakdo ve, da je dolg 24 ur, a kako to izmeriti? Predlagamo tri metode: prvo s kamero, drugo s teleskopom in tretjo z uro. Tako lahko počnemo zelo zanimive stvari. Še en poskus je zelo preprost. Delal sem ga z 12-letniki. Gre za merjenje obsega Zemlje. Uporabili smo metodo, ki jo je razvil Eratosten dve stoletji pred našim štetjem. To je že zelo star poskus. Eden izmed poskusov je tudi predlog, kako razviti različne metode za ocenjevanje kakovosti neba.

V mestu je zaradi vseh luči na nočnem nebu videti manj zvezd. Nebo je neprimerno za opazovanje. Temu pravimo svetlobno onesnaženje. Predlagamo metode za oceno te onesnaženosti. Predlagamo tudi bolj zapletene poskuse, denimo meritev velikosti kraterja na Luni. In podobno.

Profesor, hvala, da ste si vzeli čas za ta pogovor. Iz Ljubljane vam pošiljamo pozdrave v Pariz. Na svidenje.