1

TIMP

Concepte majore Timp · Eternitate · Argumente pentru eternitate · Imortalitate

Istorie · Trecut · Prezent · Viitor · Futurologie

Măsurători și standarde

Cronometrie · UTC · UT · TAI ·Secundă · Minut · Oră · Timp

sideral · Timp solar · Fus orar

Ceas · Orologie · Istoria instrumentelor de măsurare a

timpului · Planetariu (Astrariu) · Cronometru

marin · Sundial · Clepsidră

Calendar · Zi · Săptămână · Lună · An · An

tropical · Calendarul Iulian · Calendarul Gregorian · Calendarul

islamic

Intercalare · Secundă bisectă · An bisect

Cronologie

Cronologie astronomică · Eră geologică · Istorie

geologică · Geocronologie · Datare arheologică

Era calendarului · Letopiseț · Periodizare

Religie și mitologie Roata timpului · Kāla · Kalachakra · Profeție ·

Filozofie

Cauzalitate · Eternalism · Întoarcerea eternă · Eveniment

Endurantism · Perdurantism · Prezentism · Finitism temporal

Științe fizice

Timpul în fizică · Spațiu-timp · Timp și spațiu

absolut · Simetrie T

Săgeata timpului · Cronon · A patra dimensiune · Epoca

Planck · Timpul lui Planck

Teoria relativității · Dilatare temporală · Coordonată

temporală · Timp coresunzător

Biologie Cronobiologie · Ritm circadian

Psihologie Cronometrie mentală · Timp de reacție · Simțul timpului

Sociologie și antropologie Disciplina timpului · Cercetarea folosirii timpului

Economie Timpul Newtonian în economie

Vezi și

Spațiu · Durată · Capsula timpului · Călătorie în timp · Timp

hexadecimal · Carpe diem · Tempus fugit · Mașina

timpului · Paradoxul gemenilor ·Buclă temporală

Categorii:

Măsurarea timpului

Unități de timp

Mecanică cerească

2

Istoria măsurării timpului se referă la evoluția dispozitivelor de măsurat timpul: clepsidre, ceasuri,

cronometre. Încă din perioada celor mai vechi civilizații, omul a fost preocupat de măsurarea timpului și aceasta

pentru a-și putea organiza viața socială, religioasă, economică. La început, ca referință i-au servit fenomene

ciclice ca anotimpurile, ciclul lunar, deplasarea aparentă a planetelor.

ANTICHITATE

Orient

Încă de acum patru milenii, babilonienii, în poemul epic Enuma Eliș, prezentau un

model de calendar alcătuit din 12 luni de câte 30 de zile. Acest mod de măsurare a

timpului corespundea sistemului lor de numărare sexagesimal, care ulterior se

transformă în cel duodecimal (care ulterior va fi utilizat pentru numerotarea orelor).

De asemenea, prin 3000 î.Hr., sumerienii iau ca reper perioadele de repetiție a

fluxurilor și refluxurilor. Aceștia introduc și calendarul lunar cam prin 2000 î.Hr.

Începând cu 700 î.Hr., asirienii încep să utilizeze calendarul lunar.

Definirea calendarului nu rezolvă în totalitate problema măsurării timpului. Primii

care au împărțit ziua în unități mai mici au fost egiptenii. Având la bază rațiuni

religioase, în jurul anului 2100 î.Hr. au împărțit noaptea în 12 părți studiind mișcarea

aparentă a stelelor care în mare parte erau asociate diverselor divinități.

Fig 1 Obeliscul de la Luxor a cărui umbră indica trecerea timpului

Șase secole mai târziu, documentele istorice indică o împărțire similară a zilei. Apar

primele ceasuri solare. Pe o suprafață plană, în formă de cerc, se înfigea în centru un

stilum, a cărui umbră indica mișcarea soarelui. Acest mod de măsurare a timpului avea o precizie limitată.

Astfel deoarece zilele de vară sunt mai lungi, orele din acest anotimp au o durată mai mare. Același mod de

divizare a timpului este preluată și de caldeeni.

Evreii își încep calendarul în ziua considerată ca fiind momentul creației lumii și anume 7 octombrie 3761

î.Hr.[1] Prin secolul al VIII-lea î.Hr., regele iudeu Ahas construiește un obelisc solar. Cam prin 600 î.Hr., regele

iudeu Ezechia utilizează un ceas solar cu refracție.

Egiptenii măsurau timpul cu ajutorul umbrei lăsate de obeliscuri, lucru atestat încă din 3000 î.Hr.[2] Umbrele

stâlpilor și coloanelor indicau nu numai momentul zilei, ci și anotimpurile.[3]

În China antică, utilizarea ceasurilor solare este atestată pentru prima dată în 2679 î.Hr. În perioada dinastiei

Shang, clepsidrele apar și aici, probabil aduse din Mesopotamia. În timpul dinastiei Han, în jurul anului 200

î.Hr., ceasurile cu apă cunosc o inovație: apa nu mai vine din exterior și sunt introduse noi ornamente și

indicatoare.

Deși erau destul de precise, ceasurile solare deveneau inutile noaptea sau în zilele noroase. Egiptenii au mai

dezvoltat sisteme de măsurare a timpului bazate pe mecanisme cu apă sau urmărirea mișcării stelelor. Astfel, pe

o inscripție funerară, datată prin secolul al XVI-lea î.Hr., este descris un ceas cu apă realizat de Amenhet pentru

faraonul Amenhotep I.

3

O altă metodă atestată prin 600 î.Hr. consta în utilizarea firului cu plumb. Acesta era orientat după Steaua polară

și astfel se obținea o precizie mai mare în măsurarea timpului.[3]

CIVILIZAȚIA GRECO-ROMANĂ

Grecii încep calendarul determinat de Jocurile Olimpice pe 8 iulie 776 î.Hr.

În Grecia antică, ceasurile cu apă (clepsidrele) erau utilizate încă din 500 î.Hr., lucru atestat de Platon, căruia i

se atribuie confecționarea unui astfel de ceas deșteptător, realizat cam prin 380 î.Hr..[4] Niște bile de plumb

care pluteau într-un vas cilindric, după golirea uniormă a acestuia în timpul nopții, cădeau pe un platou de

cupru, iar zgomotul rezultat trezea dimineața discipolii Academiei platonice. Un alt deșteptător mai evoluat

avea mecanismul acționat de curgerea apei care în final producea intrarea sub presiune a aerului într-un fluier.

Tot în această perioadă, Aristotel utilizează astrolabul pentru măsurarea timpului.

Fig 2 .Ceasul cu apă construit de Ctesibius prin secolul al III-lea î.Hr.

Ctesibius din Alexandria realizează cam prin 150 î.Hr. un ceas automat cu un sistem complicat de roți dințate.

Andronicus din Cirus a construit un turn al vânturilor (în greacă: horologion) în Atena în jurul anului 50 î.Hr.

Acesta conținea un ceas solar (gnomon), unul hidraulic și un indicator al punctelor cardinale.

Grecii au îmbunătățit performanța clepsidrelor și ceasurilor cu mecanism.[5] Cu timpul, utilizarea acestora se

extinde în lumea greacă și apoi în cea romană deoarece aveau avantajul că puteau fi utilizate și în interior și nu

depindeau de lumina solară.[6] Astfel, vasele din care apa curgea nu mai aveau formă cilindrică, ci conică și

aceasta pentru a compensa variația presiunii apei care era maximă când recipientul era plin. Printre marii

inventatori și constructori ai epocii amintim: Ctesibius, Heron din Alexandria, Arhimede, Anaximandru.

La ceasuri se introduc tot felul de indicatoare pentru subdiviziunile de timp și ornamente ca figurine,

clopoței.[3]

Astronomul grec Teodosiu din Bitinia construiește un ceas solar despre care a fost considerat cel mai precis din

lume, dar care din nefericire nu a supraviețuit timpului.[7] Prin 263 î.Hr., generalul roman Lucius Papirius

Cursor descrie unul dintre primele ceasuri solare publice de la Roma.

În anul 46 î.Hr., Cezar solicită astronomilor săi să realizeze o reformă a calendarului (calendarul iulian).

Arhitectul Vitruviu, în tratatul De architectura (15 î.Hr.) studiază din punct de vedere teoretic metodele de

măsurare a timpului.[8]

În timpul împăratului Augustus, romanii construiesc cel mai mare ceas solar realizat vreodată.

4

EVUL MEDIU

China

În China se construiesc ceasuri bazate pe viteza de ardere. De niste bețigașe din lemn etalonate erau legate, cu

fire de mătase, biluțe meta­lice. Rând pe rând, firele ardeau, lăsând sa cadă, la inter­vale regu­late de timp,

micile sfere de metal într-un recipient.

Shen Kuo descrie un ceas cu apă care conținea dispozitive compensatoare care uniformizau scurgerea apei. Yi

Xing realizează în 725 unul dintre primele orologii din lume. Mecanismul prezenta și deplasarea aparentă a

Soarelui și a Lunii.

În 1090, învățatul Su Song realizează un ceas hidraulic și astronomic, prevăzut cu

un mecanism complex.

Civilizația islamică

Al-Jazari construiește o serie de tipuri de ceasuri: cu greutăți, cu lumânare, cu apă și

care să conțină diverse ornamente: animale, clădiri etc. Cel mai valoros este ceasul-

castel, care nu numai că indica timpul dar conținea și o serie de alte indicații

auxiliare ca: poziția Soarelui, Lunii, stelelor.

În 807, Harun al-Rashid îi dăruiește lui Carol cel Mare un ceas acționat cu nisip, cu

mecanism și figuri în mișcare. În 1181, Al-Jazari construiește o serie de ceasuri

acționate hidraulic, la care dovedește o măiestrie artistică și tehnică deosebită. În

1168, la poarta de est a cetății Damasc apare un celebru ceas acționat cu apă.

Fig 3 -Ceasul hidraulic al lui Al-Jazari (1206)

Europa occidentală

În 507 d.Hr., la cererea lui Theodoric cel Mare, Boethius construiește un ceas solar și unul acvatic, ce vor fi

dăruite regelui burgund Gundobad.

Metoda bețișoarelor combustibile, utilizată în Orient, este aplicată și de Alfred cel Mare. O serie de lumânări

gradate marcau prin ardere trecerea timpului, astfel că regele englez stabilea momentele pentru rugăciuni.

În jurul anului 994, Gerbert d'Aurillac realizează la Magdeburg un ceas solar prevăzut și cu diverse indicații

astronomice.

În 1170, este atestată la Köln breasla fabricanților de ceasuri hidraulice. În Spania lui Alfons cel Înțelept a fost

inventat orologiul cu mercur, iar în Anglia de la sfârșitul secolului al XIII-lea apare așa-numita clepsidră de la

Dover.

În 1237, Villard de Honnecourt inventează regulatorul cu bară,[9] care avea să mențină constantă viteza roților

dințate ale mecanismelor ceasurilor.

Primul orologiu mecanic din Europa este atestat în 1283,[10] fiind amplasat în turnul mănăstirii din Dunstable.

Cel mai vechi turn cu ceas din Anglia este cel de la catedrala din Exeter, fiind pus în funcțiune în 1284. Către

sfârșitul secolului al XIII-lea, tot mai multe ceasuri sunt amplasate în turnurile diverselor construcții din Anglia,

cum ar fi: Palatul Westminster, Catedrala Saint Paul, Canterbury ș.a.

Renașterea

În jurul lui 1300, în Florența este realizat primul ceas public cu mecanism.

5

Începând cu secolul al XIV-lea, se construiesc tot mai multe ceasuri cu roți dințate și balansier, acționate de

greutăți. Sunt amplasate orologii la turnurile bisericilor și catedralelor din: Erfurt, Augsburg, Milano, Norwich,

Londra, Wroclaw, Wurzburg, Magdeburg.

EPOCA MODERNĂ

Ceasul cu arc

La începutul secolului al XVI-lea, Peter Henlein, înlocuind greutățile cu arcuri spiralate din oțel, realizează

primele ceasuri portabile de dimensiuni reduse. Către 1670, acestea sunt perfecționate prin introducerea feței

din sticlă.

Introducerea pendulului (atribuită lui Christian Huygens în 1656,[11] care aplică legea izocronismului

oscilațiilor pendulului observată de Galilei) și a balansierului în a doua jumătate a secolului al XVII-lea mărește

precizia ceasurilor și deschide epoca orologeriei. Regulatorul cu ancoră, inventat de Robert Hooke în jurul

anului 1660, are același efect de acuratețe asupra ceasurilor cu pendulă.

Primele ceasuri automatice sunt realizate de Adrien Philippe în 1863. O variantă mai puțin eficace a acestora

fusese realizată încă din 1870 de către Abraham-Louis Breguet.[12] O contribuiție deosebită în acest domeniu o

aduce și John Harwood în 1923, care după anumite surse, este chiar inventatorul acestui tip de ceas.[13]

La început, ceasurile cu arc nu aveau precizie. Când arcul era încordat la maximum, viteza de rotație a

mecanismului era mare, ca apoi să scadă treptat. În perioada 1674-75, Christian Huygens introduce o inovație

care avea să înlăture acest inconvenient: balansierul cu arc. Acesta oscila asemeni unui pendul, astfel că energia

acumulată în arcul principal al ceasului era eliberată treptat.

În 1721, George Graham îmbunătățește precizia ceasurilor cu pendul utilizând un aliaj care să compenseze

efectul dilatării. De asemenea și ceasul cu resort realizat de acesta avea o precizie de 0,2 sec/zi. Sigmund

Riefler, în 1889, îmbunătățește regulatorul de bătăi și ridică precizia la o sutime de secundă pe zi.[14]

Ceasul electronic

La sfârșitul secolului al XIX-lea, se pune problema utilizării electricității pentru acționarea mecanismelor

ceasurilor. Locul greutăților sau al arcului spiralat este luat de baterie.

Dezvoltarea electronicii a condus la realizarea unor oscilatori foarte stabili cum sunt cei având la bază cristalul

de cuarț și astfel au aparut ceasurile electronice. Primul ceas cu cuarț este realizat în 1927 de către Warren

Marrison și J.W. Horton.

Ceasul atomic

Următoarea etapă în evoluția ceasului o constituie apariția și dezvoltarea ceasurilor atomice. Aestea au o

precizie net superioară, ajungând de ordinul secundelor în câteva sute de ani.

CEASUL CU ARC

La începutul secolului al XVI-lea, Peter Henlein, înlocuind greutățile cu arcuri spiralate din oțel, realizează

primele ceasuri portabile de dimensiuni reduse. Către 1670, acestea sunt perfecționate prin introducerea feței

din sticlă.

Introducerea pendulului (atribuită lui Christian Huygens în 1656,[11]

care aplică legea izocronismului oscilațiilor

pendulului observată de Galilei) și a balansierului în a doua jumătate a secolului al XVII-lea mărește precizia

ceasurilor și deschide epoca orologeriei. Regulatorul cu ancoră, inventat de Robert Hooke în jurul anului 1660,

are același efect de acuratețe asupra ceasurilor cu pendulă.

6

Primele ceasuri automatice sunt realizate de Adrien Philippe în 1863. O variantă mai puțin eficace a acestora

fusese realizată încă din 1870 de către Abraham-Louis Breguet.[12]

O contribuiție deosebită în acest domeniu o

aduce și John Harwood în 1923, care după anumite surse, este chiar inventatorul acestui tip de ceas.[13]

La început, ceasurile cu arc nu aveau precizie. Când arcul era încordat la maximum, viteza de rotație a

mecanismului era mare, ca apoi să scadă treptat. În perioada 1674-75, Christian Huygens introduce o inovație

care avea să înlăture acest inconvenient: balansierul cu arc. Acesta oscila asemeni unui pendul, astfel că energia

acumulată în arcul principal al ceasului era eliberată treptat .

Orologiul din Turnul Alb din Hradec Králové, Cehia

În 1721, George Graham îmbunătățește precizia ceasurilor cu pendul utilizând un aliaj care să compenseze

efectul dilatării. De asemenea și ceasul cu resort realizat de acesta avea o precizie de 0,2 sec/zi. Sigmund

Riefler, în 1889, îmbunătățește regulatorul de bătăi și ridică precizia la o sutime de secundă pe zi

TIMPUL SOLAR ADEVĂRAT

Pe o planetă ce se roteşte în acelaşi sens cu mişcarea sa de revoluţie, ziua solară este mai lungă decât ziua

siderală.Ziua siderală este perioada unei rotații față de un sistem de referință inerțial; de la momentul 1 la

momentul 2 este o zi siderală. La momentul 2, încă nu este amiază pentru observatorul marcat cu săgeată;

amiaza are loc puțin mai târziu, la momentul 3. Notă: desenul nu este la scară.

Timpul solar adevărat al unui observator de pe Pământ este definit ca fiind unghiul orar al Soarelui pentru

observatorul respectiv. Ca atare, este un unghi exprimat în unități de timp (24 de ore pentru 360 de grade).

Ziua solară adevărată este timpul scurs între două culminații superioare succesive ale Soarelui. Datorită

mișcării de revoluție a Pământului, ziua solară este cu aproximativ patru minute mai lungă decât ziua siderală.

În termeni de poziții aparente pe sfera cerească, ascensia dreaptă a Soarelui crește cu aproximativ 1° pe zi; ca

urmare, timpul sideral al culminației superioare a Soarelui crește cu aproximativ 4 minute de la o zi la alta.

De notat că ziua solară începe la culminația superioară a Soarelui, adică la amiază, iar timpul solar este 0h la

amiază și 12h la miezul nopții.

7

ZIUA SOLARĂ MEDIE

Înclinarea axei Pământului pe orbită și viteza neuniformă de deplasare pe orbită determină variații de ordinul

câtorva zeci de secunde ale duratei zilei solare. Din acest motiv, se definește ziua solară medie ca fiind media

anuală a duratei zilei solare. Ziua solară medie durează 24 de ore, sau 86400 secunde.

Ziua solară medie este cea pe baza căreia este definită data și ora utilizate în viața de zi cu zi. Ziua solară medie

aproximează suficient de bine alternanța zilei cu noaptea pentru a fi utilizată în coordonarea activităților umane,

iar, pe de altă parte, durata ei este constantă astfel încât curgerea ei să poată fi măsurată cu ajutorul unui ceas.

Inițial, ora a fost definită ca 1/24 din ziua solară medie, minutul ca fiind 1/60 dintr-o oră, iar secunda ca fiind

1/60 dintr-un minut sau 1/86400 dintr-o zi solară medie. O dată cu apariția ceasului atomic, au putut fi puse în

evidență mici variații ale duratei zilei solare medii, cauzate de variații ale vitezei de rotație a Pământului. Ca

urmare, secunda este în prezent definită ca durata a exact 9 192 631 770 de perioade ale radiației ce

corespunde tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale ale atomului de cesiu 133 în

repaus la temperatura de 0 K.

Durata unei zile solare medii se abate în prezent cu câteva milisecunde față de valoarea de 86400 secunde.

Datorită frânării cauzate de maree, rotația Pământului se încetinește continuu și ca urmare durata zilei solare

medii crește cu aproximativ 2 milisecunde pe secol.

La echinox, ziua solară adevărată este mai scurtă decât ziua solară medie. Diferenţa dintre ziua solară şi ziua

siderală este dată de unghiul diedru dintre planele a şi b (cu atât trebuie să se mai rotească Pământul pentru a

ajunge cu acelaşi meridian spre Soare). Acest unghi este mai mic decât unghiul dintre razele de la Soare spre

Pământ (unghiul AOB), deoarece planul AOB este oblic pe planele aşi b

TIMPUL SOLAR MEDIU

Timpul solar mediu este, în principiu, timpul solar adevărat corectat în așa fel încât să curgă uniform. Anume,

se definește un Soare fictiv, care se deplasează cu viteză constantă pe ecliptică și coincide cu soarele adevărat în

momentul trecerii Pământului prin periheliul orbitei sale.

8

Se definește apoi un al doilea Soare fictiv, numitSoarele mediu, care parcurge ecuatorul ceresc cu viteză

constantă și trece prin punctul vernal simultan cu primul Soare fictiv. Timpul solar mediu este definit ca fiind

unghiul orar al soarelui mediu.

Diferența dintre timpul solar adevărat și timpul solar mediu se numește ecuația timpului.

Ca și în cazul timpului solar adevărat, timpul solar mediu are ora 0 la amiază și ora 12 la miezul nopții, iar ziua

solară medie începe la amiază.

TIMPUL CIVIL

Deoarece începerea zilei la amiază și socotirea timpului cu ora 0 la amiază și ora 12 la miezul nopții este

nepractică, este definit timpul civil, ca fiind timpul solar mediu minus 12 ore.

Timpul civil este specific unui observator, iar timpul civil al unui observator este identic cu timpul civil al altui

observator dacă și numai dacă cei doi observatori se găsesc pe același meridian.

Pentru că tehnic (și practic) este imposibil de gestionat pentru fiecare localitate o proprie oră, este definit timpul

legal care diferă relativ puțin față de timpul civil (în principiu, cel mult 30 minute cu plus sau cu minus), dar

este egal pentru o zonă mai largă.

CEAS SOLAR

Vedere de sus a unui ceas solar ecuatorial

Un ceas ecuatorial din Oraşul interzis, Beijing, China.

Cadranul solar este un dispozitiv care măsoară timpul în funcție de poziția Soarelui. Modelele obișnuite cum ar fi cadranul solar

orizontal, este format dintr-un ac indicator și o suprafață netedă marcată cu mai multe linii ce indică orele zilei. În funcție de

mișcarea Soarelui, umbra acului indicator se aliniază progresiv cu liniile marcate pe placă, indicând astfel momentul din zi. Acul

indicator este aliniat cu axa de rotație a Pământului. Prin urmare, cadranul solar indică timpul corect, acul indicator trebuie să

9

indice spre Nordul geografic și unghiul dintre acul indicator și direcția orizontală trebuie să fie egal cu latitudinea geografică a

locului unde se află cadranul solar. Totuși, multe cadrane solare nu respectă această descriere, și funcționează după principii

diferite.

CEAS ELECTRONIC- CU CUARȚ

ceas cu cuarţ Primul ceas cu cristalul de cuarţ (mijloc), exponat la Muzeul Internațional de Ceasuri,La Chaux-De-Fonds Modern Quartzclock-dreapta

Un ceas electronic (ceas cu cuarț) este un ceas care folosește un oscilator electronic reglat de un cristal de

cuarțpentru a măsura timpul. Acest cristal de cuarț generează un semnal cu o frecvență precisă, astfel încât ceasurile

electronice sunt cu cel puțin un ordin de mărime mai precise decât cele mai bune ceasuri mecanice.

La ceasurile electronice moderne cristalul de cuarț are forma unui mic diapazon, ce vibrează la 32.768 Hz. Această

frecvență este egală cu 215

Hz. În cele mai multe ceasuri, rezonatorul este un mic paralelipiped, având aproximativ 4 mm

lungime. Motivul pentru care rezonatorul de 32.768 Hz a devenit atât de întâlnit este datorat compromisului dintre dimensiunea

mare a cristalelor de frecvență joasă pentru ceasuri și intensitatea mare a curentului necesară cristalelor de înaltă frecvență,

care micșorează durata de viață a bateriei de ceas. Introducerea MOSFET-ului, în anii 1970, încircuitele integrate asigură o

viață de 12 - 24 luni a bateriei.

Formula de calcul a frecvenței cuarțului în funcție de dimensiunile sale, cum ar fi următoarele:[1]

l = lungime = 3 mm (sau 4 mm)

a = grosime = 0.3 mm

E = Modulul lui Young al cuarțului = 1x1011

N·m−2

= 100 GPa

ρ = densitatea cuarțului = 2500 kg·m-3 (de fapt, 2650 kg·m

-3)

fo = frecvența fundamentală = 3.52

f = frecvența (Hz)

Dacă se introduc numerele de mai sus în formula de mai jos: rezultă f ~ 33 kHz, care

este aproximativ 215

, sau 32,768 kHz.

10

Cel mai precis ceas atomic din lume

, ceasurile atomice nu sunt deloc periculoase. Ele măsoară timpul prin urmărirea duratei cu care un atom își schimbă

starea energetică de la pozitiv la negativ și invers

Fizicienii de la Laboratorul National de Fizica - NPL din Londra, condusi de prof. Krzysztof Szymaniec, impreuna

cu colegii de la Universitatea Pennn din Statele Unite au reusit sa reduca marja de eroare a unui ceas atomic, la un

nivel fara precedent.

Ceasul atomic britanic masoara cel mai exact timp din lume, cu o eroare de doar o miliardime de secunda, la fiecare doua

luni, scrie The Telegraph .

Dispozitivul cu o inaltime de 2,5 metri si masoara cu excatitate secunda, bazandu-se pe perioada care corespunde

tranzitiei intre cele doua nivele hiperfine ale starii fundamentale a atomului de cesiu 133 - o secunda = 9.192.631.770

perioade de oscilatie.

Evaluarea incertitudinii masurarii ca si standard primar este de 2,3 x 10 la minus 16 dintr-o secunda, fiind considerat astfel

cel mai precis ceas de pe planeta, precizeaza Physorg.

Cesurile atomice, construite in laboratoarele de sincronizare din Europa, Statele Unite si Japonia, sunt standarde de

frecventa primara pentru masurarea timpului. Standardele sunt de fapt mediii de timp si sunt folosite ca scale de timp la

nivel mondial impuse de International Atomic Time and Universal Coordinated Time, in domeniul comunicatiilor,

navigatiei prin satelit, topografie, tranzactiile computerizate in cazul pietelor financiare.

Ceasurile atomice se bazeaza pe principiul conform caruia orice atom are anumite frecvente de rezonanta asociate.

Frecventa radiatiei emise/absorbite de un atom este constanta in timp si spatiu. Si in cazul unui ceas atomic, masurarea

timpului se face cu ajutorul unui oscilator cu cristal de cuart, atat doar ca mecanismele complicate verifica continuu

frecventa de oscilatie a oscilatorului de curt, conferindu-i precizia uimitoare.

Totusi, un numar de factori, inclusiv forma microundelor, influenta campurilor magnetice din apropiere si chiar pozitia

ceasului fata de nivelul marii pot provoca schimbari majore in cazul masurarii timpului.

Incertitudinile in masurarea timpului in cazul ceasurilor atomice provin din cauza efectului Doppler si a trecerilor

microundelor prin lentilele de frecventa create.

Ceasuri atomice! Cât este ceasul cu adevărat?

Timpul nu reprezintă altceva decat o conventie, nascuta pentru ajutorul omului in activitatile sale

cotidiene. Se cunoaste teoria lui Schopenhauer care afirma ca omul traieste doar in prezent, trecutul si viitorul

fiind simple proiectii subiective.

Exista numeroase metode de calculare si afisare a orei exacte, insa cea mai performante si exacta solutie

e reprezentata fara dubii de catre ceasurile atomice!

Avand la baza diverse elemente chimice precum cesiul sau rubidiumul, ceasurile atomice sunt construite

special ca sa nu piarda sau sa castige mai mult de o secunda in decurs de cateva mii de ani!

11

Locul 10 este ocupat de HP 5061A, cu izotopi de cesiu 133 bombardati de microunde. Output-ul de

frecventa hiperfina este folosit pentru a stabiliza un oscilator pe baza de cristale de quartz. HP 5061A a fost cel

mai precis ceas de pe pamant la momentul construirii sale in anii ’60. Pretul unui astfel de dispozitiv este de

4800$!

Locul 9. Primul ceas atomic cu cesiu, construit de

catre Jerrold Zacharias in anul 1953. Zacharias a incercat sa

realizeze si o fantana de atomi pe baza teoriei lui Einstein

care spune ca un ceas va incetini la aruncarea atomilor intr-

un potential gravitational, insa nu a reusit, multumindu-se cu

titlul de prim proiectant al unui ceas atomic cu izotopi de

cesiu.Acuratetea este de 7 minute la o perioada egala cu

varsta Universului (aproximativ 14 miliarde de ani!).

Pe locul 8 se afla un ceas realizat in 1968 de catre NIST ( National Institute of Standards and Tehnology) folosit

pana la inceputul anilor ’90.

Pe locul 7 sta USNO Rubidium Fountain. Dupa cum ii spune si

numele, acest ceas foloseste rubidium in loc de cesiu, pentru ca Rb

are o frecventa mai mica si implicit o rotatie nucleara diminuata, cu

putine stari magnetice.

12

Pe locul 6 se afla NIST-6, predecesorul modelului 7. Acesta era de 20 de ori mai putin precis, insa mai compact

decat toate celelalte construite anterior.Greenwich Time Service a fost servit de acest ceas facut in 1970, care

ocupa un bine meritat loc 5. Instalat in Royal Greenwich Observatory din Herstmonceaux, ceasul a fost folosit

de BBC timp de 20 de ani, la anuntarea orei exacte.

Locul 4. NIST-7 a fost rodul muncii a trei cercetatori de elita, laureati cu premiul Nobel in fizica: Norman

Ramsey de la Harvard, Hans Dehmelt de la Universitatea din Washington si Wolfgang Paul de la Universitatea

din Bonn.

3 2 1

Pe locul 3, NIST-F1 este actualul ceas atomic folosit in USA ca standard pentru timp si frecventa. Este unul

dintre cele mai precise ceasuri din lume, pierzand sau castigand o secunda la 20 de milioane de ani!

Pe locul 2 se afla un dispozitiv atomic home made! Acesta foloseste un tub prin care un fascicul de atomi de

cesiu este controlat magnetic dintr-un capat in altul. Atomii isi schimba

starea si sunt cititi apoi intr-o camera speciala amplasata la capatul

celalalt al tubului.

Locul 1. Cel mai compact ceas atomic se afla in dotarea satelitilor care

survoleaza Pamantul si sunt raspunzatori de celebrul sistem de

pozitionare globala (GPS). Ceasurile functioneaza cu rubidium si au

+/- o secunda la 1 milion de ani!

13

CEASURILE ATOMICE

Cum să faci ca un ceas să funcţioneze fără greşeală?

Este oare posibil ca timpul să fie măsurat fără erori cu instrumente umane?

Cum s-au folosit de ei pentru a cuantifica trecerea timpului?

În căutarea perfecţiunii, cercetătorii au ajuns la "cărămizile" universului, atomii.

Scurt istoric

Primul ceas atomic a fost construit în 1949, în Statele Unite ale Americii, la

Biroul Naţional de Standarde, dar nu a atins performanţe deosebite. A

urmat Caesium I, proiectat de către Louis Essen şi construit în Laboratorul

Naţional de Fizică din Teddington, Anglia, în 1955. Cu toate că nu era prima

maşină care folosea proprietăţile atomilor pentru a măsura timpul, era prima

care atingea performanţe superioare ceasurilor cu cuarţ sau cu pendul.

Toate ceasurile mecanice au la bază numărarea oscilaţiilor unui sistem cu o

mişcare uniformă. Frecvenţa pendulului sau oscilaţia cristalului de cuarţ se

modifică însă în timp în funcţie de anumiţi factori. Ceea ce cautau oamenii de

ştiinţă era un dispozitiv care să fie independent de rotaţia planetei, de frecarea

cu atmosfera sau de alţi factori naturali şi care sa ofere o precizie superioară.

În 1945, profesorul Isidor Rabi de la Universitatea Columbia sugera folosirea proprietăţilor elementelor chimice

pentru a construi un ceas extrem de precis. S-a încercat iniţial la Biroul Naţional de Standarde folosindu-se

molecule de amoniu, pentru a se recurge ulterior la elemente precum cesiul sau rubidiul. Caesium I avea o

precizie de o secundă la trei sute de ani, iar ceasurile atomice moderne ating performanţe de neimaginat acum

50 de ani.

Atomul de cesiu

Pentru a putea înţelege principiul de funcţionare a ceasului atomic, este nevoie să intrăm puţin în

“bucătăria internă” a atomului şi în special în cea a atomului de cesiu. Atomul este încă înţeles de mulţi ca o

colecţie de electroni care orbitează în jurul nucleului asemenea planetelor în jurul Soarelui. Noţiunea de orbită

este totuşi diferită în cadrul modelului atomic propus de Niels Bohr, cel despre care vorbim aici.

În viziunea lui Bohr, electronilor de pe un anumit nivel energetic, adică de pe o anumită orbită, le este

permis “să evolueze” într-o arie de o anume formă şi nu doar pe o orbită eliptică, cum este cazul modelului

sistemului solar. Calculele efectuate pe baza teoriilor din mecanica cuantică sunt cele care au arătat că electronii

pot orbita doar în anumite poziţii. Pentru a “sări” de pe o orbită mai înaltă pe una mai joasă (de energie mai

mică), un electron trebuie să cedeze energie sub formă de radiaţie electromagnetică (lumină sau unde radio) cu

o anumită frecvenţă (există o relaţie matematică între diferenţa dintre 2 niveluri de energie şi frecvenţa radiaţiei

electromagnetice corespunzătoare, exprimată de formula dE=h*f, unde dE-diferenţa de energie, f-frecvenţa

radiaţiei electromagnetice şi h-constanta lui Planck ). De asemenea, electronii tind să ocupe nivelele energetice

mai joase (mai apropiate de nucleu), iar “excitarea” atomului, respectiv trimiterea electronilor pe nivele mai

înalte de energie, presupune transferul unei cantităţi de energie electronilor. Dacă un electron de pe o orbită mai

joasă primeşte energie de frecvenţă corespunzătoare, acesta va sări pe o orbită mai înaltă

Ceasurile atomice se bazează pe următorul principiu: atomii, conform celor arătate mai sus, au

anumite frecvenţe de rezonanţă asociate. Fiecare element chimic absoarbe/emite radiaţie electromagnetică cu o

frecvenţă caracteristică. Frecvenţa radiaţiei electromagnetice absorbită/cedată de un atom al unui anume

element chimic este constantă în timp şi spaţiu prin însăşi natura atomilor respectivi

În cazul cesiului, trebuie spus că fiecare atom conţine 55 de electroni. Ultimul dintre aceştia ocupă o

orbită mai depărtată de nucleu decât restul. Ce este diferit faţă de teoria explicată anterior, este faptul că pe

14

această orbită superioară, nivelul energetic asociat poate avea 2 valori puţin diferite, în funcţie de o proprietate a

electronului numită spin (spinul electronului descrie mişcarea electronului în jurul propriei sale axe, mişcare

numită spin electronic, care dă naştere unui moment magnetic propriu al electronului). O valoare sau alta a

spinului reflectă proprietăţi magnetice diferite ale atomului de cesiu, deci atomii din aceste 2 stări au proprietăţi

magnetice uşor diferite, un amănunt extrem de important în funcţionarea ceasului atomic cu cesiu.

În fizică, se asociază atomului o proprietate numită ground state energy, care descrie nivelul energetic al

respectivului atom (starea fundamentală a atomului). În cazul cesiului există două valori corespunzătoare

acestui nivel energetic de bază al atomului, în funcţie de spinul electronului de pe cea mai înaltă orbită, iar

această mică perturbaţie a nivelului energetic al atomului a fost botezată structura superfină (hyperfine

structure).

Începând cu 1967, secunda a fost redefinită pe baza acestor proprietăţi ale atomului de cesiu. De atunci,

secunda este durata egală cu 9.192.631.770 perioade ale radiaţiei care corespunde tranziţiei între cele două

niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133.

Principiul de funcţionare a ceasului atomic

Partea componentă a unui ceas atomic responsabilă cu măsurarea timpului este, oricât de surprinzător ar părea,

un oscilator cu cristal de cuarţ. În cazul majorităţii ceasurilor cu cuarţ, oscilatorul este reglat corespunzător la

momentul fabricaţiei, dar frecvenţa sa de oscilaţie nu mai este verificată ulterior. În timp, frecvenţa variază uşor,

dar neuniform, influenţând în mod negativ precizia ceasului.

Scopul complicatului mecanism al ceasurilor atomice este de a verifica continuu frecvenţa de oscilaţie a

oscilatorului de cuarţ, ceea ce conferă o precizie uluitoare aparatului

Cum funcţiona Caesium I ?

• La unul din capetele ceasului este un cuptor care evaporă atomi de cesiu de pe suprafaţa unei bucăţi de

metal (cesiul este un metal alcalin care fierbe la 280C). Atomii astfel produşi vor fi în una din cele două stări de

care am pomenit anterior (două nivele energetice distincte, în funcţie de spinul electronului de pe cea mai înaltă

orbită).

• Dispozitivul înglobează un tub

prin care trece fasciculul de atomi de

cesiu produs. Am menţionat că

proprietăţile magnetice ale celor două

tipuri de atomi sunt diferite, fapt pentru

care un magnet este folosit pentru a îi

separa, renunţându-se la cei cu o

energie mai mare.

• Oscilatorul cristalului de cuarţ

este reglat pentru o frecvenţă de

9.192.631.770 Hz şi controlează o sursă

de unde radio îndreptată către atomii

rămaşi (cei de energie scăzută). Dacă oscilatorul cu cuarţ este reglat corect, mulţi dintre atomi trec dintr-o stare

energetică în alta, pentru că electronii de pe cel mai înalt nivel energetic primesc exact cantitatea de energie

necesară pentru a-şi schimba starea.

• La celălalt capăt al dispozitivului se găseşte un alt magnet, care separă atomii care şi-au schimbat starea

de cei care au rămas neafectaţi. Cantitatea de atomi care au "asimilat" radiaţie electromagnetică este evaluată

15

continuu de către un detector, într-o cameră specială. Dacă apar variaţii, mai exact dacă numărul lor scade,

înseamnă că frecvenţa de oscilaţie a cristalului cu cuarţ s-a modificat, din care cauză nu s-au mai generat unde

radio cu frecvenţa necesară tranziţiei atomului de cesiu dintr-o stare energetică în alta. În acest caz, un sistem

automat de control ajustează frecvenţa de oscilaţie până în momentul în care atomii modificaţi ating

maximumul anterior înregistrat.

• Mecanismul de autoreglare a frecvenţei oscilatorului cu cuarţ menţine precizia ceasului.

• Pentru a converti frecvenţa de oscilaţie în impulsuri electrice la interval de exact o secundă se foloseşte

un circuit de tip numărător electronic.

Urmaşii lui Caesium I

Odată Caesium I pus la punct, Louis Essen a început să îmbunătăţească design-ul original. În 1959 apare

Caesium II, care folosea un tub de direcţionare a fasciculului de atomi de cesiu mai lung, iar expunerea atomilor

la microunde era de mai lungă durată. Aceste modificări au mărit precizia până la o secundă la 2000 de ani.

Tehnologia a continuat să progreseze. În 1964 modelul HP5060A ridică gradul de precizie la o secundă la 6000

de ani. În prezent, modele precum HP5071A, cu o precizie de o secundă la 30000 de ani, sunt disponibile

comercial. În 1993, Institutul Naţional de Standarde şi Tehnologie (NIST) din SUA construieşte NIST-7, un

ceas atomic cu cesiu care folosea laseri în locul magneţilor pentru a separa atomii înainte şi după trecerea prin

tubul în care sunt bombardaţi cu unde radio. Precizia: o secundă la 800000 de ani.

Cesium fountain

Un tip nou de ceas atomic, numit cesium fountain, foloseşte laserii în locul magneţilor, asemenea lui NIST-7.

Iniţial, atomii de cesiu sunt încetiniţi până aproape de starea de repaus folosind laseri. Aproximativ 10 milioane

de atomi sunt colectaţi într-un câmp magnetic, unde sunt separaţi în funcţie de nivelul energetic. Câmpul

magnetic este apoi dezactivat, iar laserii împing norul de atomi în sus, într-o

mişcare asemănătoare fântânii arteziene. Aceştia urcă şi coboară uşor sub

influenţa gravitaţiei, trecând astfel printr-o zonă cu unde radio, ca într-un ceas

atomic clasic. Sunt număraţi cei care şi-au schimbat nivelul energetic cu

ajutorul altui laser, realizându-se astfel mecanismul de reglare a oscilatorului cu

cuarţ.

Utilizări ale ceasului atomic

Deşi majoritatea activităţilor umane nu necesită un grad de acurateţe atât de

mare în măsurarea timpului precum cea oferită de ceasurile atomice, există

tehnologii care au nevoie de precizia acestora. Spre exemplu, tehnologia GPS

necesită sincronizări de timp extrem de precise pentru a localiza cu erori de

câţiva metri poziţia unei unităţi GPS (de obicei prin calcularea timpului parcurs

de un semnal radio de la un satelit la un punct de pe suprafaţa Pământului).

Cel mai compact model de ceas atomic se află in dotarea sateliţilor răspunzători

de acest sistem de poziţionare globală (GPS) şi funcţionează cu rubidium, având o precizie de o secundă la 1

milion de ani!

Începând cu 1967 timpul furnizat de ceasurile atomice a devenit etalonul măsurării timpului!

CEL MAI PRECIS CEAS ATOMIC DIN LUME

16

Fizicienii de la Laboratorul National de Fizica - NPL din Londra, condusi de prof. Krzysztof Szymaniec,

impreuna cu colegii de la Universitatea Pennn din Statele Unite au reusit sa reduca marja de eroare a

unui ceas atomic, la un nivel fara precedent.

Ceasul atomic britanic masoara cel mai exact timp din lume, cu o eroare de doar o miliardime de

secunda, la fiecare doua luni, scrie The Telegraph.

Dispozitivul cu o inaltime de 2,5 metri si masoara cu excatitate secunda, bazandu-se pe perioada care

corespunde tranzitiei intre cele doua nivele hiperfine ale starii fundamentale a atomului de cesiu 133 - o secunda

= 9.192.631.770 perioade de oscilatie.

Evaluarea incertitudinii masurarii ca si standard primar este de 2,3 x 10 la minus 16 dintr-o secunda,

fiind considerat astfel cel mai precis ceas de pe planeta, precizeaza Physorg.

Cesurile atomice, construite in laboratoarele de sincronizare din Europa, Statele Unite si Japonia, sunt

standarde de frecventa primara pentru masurarea timpului. Standardele sunt de fapt mediii de timp si sunt

folosite ca scale de timp la nivel mondial impuse de International Atomic Time and Universal Coordinated

Time, in domeniul comunicatiilor, navigatiei prin satelit, topografie, tranzactiile computerizate in cazul pietelor

financiare.

Ceasurile atomice se bazeaza pe principiul conform caruia orice atom are anumite frecvente de

rezonanta asociate. Frecventa radiatiei emise/absorbite de un atom este constanta in timp sispatiu. Si in cazul

unui ceas atomic, masurarea timpului se face cu ajutorul unui oscilator cu cristal de cuart, atat doar ca

mecanismele complicate verifica continuu frecventa de oscilatie a oscilatorului de curt, conferindu-i precizia

uimitoare.

Totusi, un numar de factori, inclusiv forma microundelor, influenta campurilor magnetice din apropiere

si chiar pozitia ceasului fata de nivelul marii pot provoca schimbari majore in cazul masurarii timpului.

Incertitudinile in masurarea timpului in cazul ceasurilor atomice provin din cauza efectului Doppler si a

trecerilor microundelor prin lentilele de frecventa create

17

CEL MAI PRECIS CEAS ATOMIC VA FI INSTALAT LA BORDUL ISS

Ceasul atomic Pharao va dispune de o precizie de neegalat, după ce va fi instalat la bordul Staţiei

Spaţiale Internaţionale (ISS), potrivit unui acord semnat, marţi, între Centre National des Etudes

Spatiales (CNES) şi Agenţia Spaţială Europeană (ESA), informează AFP.

Un ceas atomic va măsura timpul cu o precizie de neegalat, după ce va fi plasat pe orbita terestră

Pharao, care va pierde o singură secundă la fiecare 300 de milioane de ani, comparativ cu o secundă

pierdută la fiecare 50 de milioane de ani pentru ceasurile atomice terestre, va fi plasat în exteriorul laboratorului

european Columbus, ataşat ISS, la o distanţă de aproximativ 400 de kilometri de Terra.

Pharao, care utilizează atomi reci de Cesium, reprezintă acronimul pentru "Projet d'Horloge Atomique par

Refroidissement d'Atomes en Orbite".

Asociat cu un alt ceas atomic, Spatial Hydriogen Master (SHM), pentru a forma împreună Ansamblul ceasurilor

atomice spaţiale (ACES), Pharao va contribui la "precizia şi stabilitatea pe termen lung a scalelor de timp

mondiale".

ACES va fi lansat în al doilea semestru al anului 2013. Acest ansamblu de ceasuri atomice spaţiale va

stimula dezvoltarea unor aplicaţii de măsurare cu mare precizie a formei glubului terestru şi în aplicaţiile de

teledetecţie.

El va putea fi folosit, totodată, în "testarea cu precizie a teoriei relativităţii generale, formulată de

Einstein", se afirmă în acelaşi comunicat.

La distanţe foarte mari în Univers, timpul nu se scurge în acelaşi fel ca pe Terra. Aceste diferenţe pot fi

captate deja la bordul sateliţilor aflaţi pe orbita terestră, la altitudinea de 20.000 de kilometri, unde ceasurile

atomice avansează cu 40 de microsecunde (a milioana parte dintr-o secundă) pe zi, comparativ cu aceleaşi

dispozitive rămase pe Terra.

Funcţionarea unui ceas atomic se bazează pe capacitatea lui de a stăpâni viteza atomilor, care devin cu

atât mai lenţi cu cât sunt mai reci. Viteza lor de deplasare este de asemenea influenţată de greutate. Ceasurile

atomice de pe orbită nu se vor mai confrunta cu acest factor (greutatea), deoarece pluti în condiţii de

imponderabilitate

18

CEAS ATOMIC IN CUTIA DE CHIBRITURI

CSAC (Chip Scale Atomic Clock) și timpul atomic devine portabil

Ceasurile atomice sunt, pentru majoritatea dintre noi, niște chestii foarte mari, foarte scumpe și inaccesibile. O

echipa de cercetatori a dezvoltat recent un ceas atomic de 100 de ori mai mic decât cel mai mic ceas atomic

disponibil pe piată până astăzi și care are un consum energetic este de 100 de ori mai mic decît predecesorul

său. Se numește Chip Scale Atomic Clock (CSAC - Ceasul Atomic de marimea unui procesor) și poate fi al

dumneavoastră pentru 1.500 de dolari, adică ceva mai mult decât un ceas obișnuit dar rezonabil dacă luăm în

considerare faptul că nu rămâne în urmă cu mai mult de o milionime de secundă pe zi.

Ceasul are mărimea unei cutii de chibrituri și consumă doar 100 de miliwati, fiind alimentat de două baterii R6

sau AA. Alte ceasuri atomice portabile necesită baterii similare cu acumulatorii auto sau, în cazul ceasurilor

atomice oltenești, cate o oală de fasole cu ciolan și o paporniță de praz.

CSAC conține atomi de Cesiu într-un container de mărimea unui bob de orez și realizat din două straturi de oțel

ce îi izolează de câmpul magnetic terestru. Atomii sunt ciocniți de unda unui laser VCSEL (vertical-cavity

surface-emitting laser) care îi forțează să emită microunde.În timp ce la ceasurile atomice construite în mod

tradițional se folosesc lasere cu rubidiu, noul laser VCSEL consumă doar doi miliwatti.

În final, circuitul electronic al ceasului atomic măsoară frecvența microundelor, numărând cu precizie

4.596.315.885 dintre ele pentru fiecare secundă.

Un lucru nu face CSAC, să țină data. În rest el este folosit pentru a coordona cu precizie sisteme aflate la

distante mari, de exemplu rețele de computere sau comunicații.

Se poate achiziționa cu 1.500 de dolari

Timpul oficial standard pentru Statele Unite este stabilit de către NIST F-1, un ceas atomic cu Cesiu de la Institutul Național de

Știință și Tehnologie (NIST) din Boulder, Colorado. NIST F-1 este un ceas fântână, denumit astfel pentru mișcarea atomilor. Oamenii

de știință introduc gaz de cesiu în camera de vid a ceasului și apoi direcționează raze laser infraroșii la unghiuri de 90 de grade spre

centrul camerei. Laserele forțează atomii într-o bilă, care este aruncată printr-o zonă cu microunde. Oamenii de știință măsoară

numărul de atomi cu stările modificate și schimbă microundele la diferite frecvențe până când cei mai mulți dintre atomi sunt

modificați. Această frecvență finală este frecvența de rezonanță naturală pentru atomii de cesiu și constituie numărul de oscilații care

definesc o secundă. Pare complicat, dar are ca rezultat un standard mondial pentru secunde; ceasurile din întreaga lume se pot seta

automat la standardul NIST după fusul orar.