Τι είναι ο Χρόνος; Μέτρηση του χρόνου σε νεότερες εποχές

Στον μεσαίωνα, στη Δυτική, κυρίως, Ευρώπη, όργανα μέτρησης χρόνου ήταν και οι αμμοκλεψύδρες (αμμωτά), όπως προαναφέραμε. Η επινόησή τους αποδίδεται στον Γάλλο μοναχό Λουιπράν στη Σαρτ, τον 8ο μ.Χ. αιώνα. Κατά την παράδοση, το 807 μ.Χ. ο Καρλομάγνος διέταξε να κατασκευαστεί ένα αμμωτό τόσο μεγάλο, ώστε το ανέστρεφαν μόνο μία φορά κάθε 12 ώρες [3]. Στο Βυζάντιο τα όργανα μέτρησης που χρησιμοποιούσαν ήταν, κυρίως, οι αστρολάβοι και λιγότερο τα ηλιακά ρολόγια, οι κλεψύδρες κ.α. Τα περισσότερα ηλιακά ρολόγια βρίσκονται σε βυζαντινούς ναούς, αλλά ο αριθμός τους, σε σύγκριση με τον συνολικό αριθμό των σωζόμενων βυζαντινών ναών, είναι ελάχιστος. Αυτό υποδηλώνει ότι τα ηλιακά ρολόγια δεν ήταν συνηθισμένο μέρος του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού των ναών, σε αντίθεση με αυτό που συνέβαινε στη Μεσαιωνική Δύση [12] (*).

Τα ηλιακά ρολόγια και οι κλεψύδρες χρησιμοποιούνται ευρύτατα από την αρχαιότητα μέχρι, περίπου, τον 9ο μ.Χ. αιώνα. Αργότερα, στη Δυτική Ευρώπη άρχισαν να κατασκευάζονται τα πρώτα μηχανικά ρολόγια. Οι κάτοικοι της Βόρειας και Κεντρικής Ευρώπης είχαν δείξει λίγο ενδιαφέρον μέχρι τότε για την ακριβή μέτρηση του χρόνου, ενώ η Εκκλησία ουσιαστικά ήταν η πρώτη που ενδιαφέρθηκε για τον ακριβή προσδιορισμό του. Τους επόμενους αιώνες κατασκευάστηκαν μεγάλα μηχανικά ρολόγια που τοποθετήθηκαν στα καμπαναριά των εκκλησιών και στα δημόσια κτήρια για άμεση επόπτευση από όλους του πολίτες. Στις αρχές του 14ου αιώνα εγκαταλείφθηκε το σύστημα των άνισων ωρών [3] και υιοθετήθηκε το βολικό σύστημα των ισόχρονων ωρών με άμεση εφαρμογή στο “χτύπημα” των μεγάλων μηχανικών ρολογιών, που ήταν τοποθετημένα, κυρίως, στα καμπαναριά των εκκλησιών. Από τον 13ο αιώνα και μετά κατασκευάστηκαν ονομαστά μηχανικά ρολόγια εκ των οποίων πολλά διατηρούνται μέχρι σήμερα. Τέτοια ήταν/είναι το ρολόι του πύργου του Ουεστμίνστερ του 1288 (μετεξέλιξή του είναι το περίφημο Big Ben κατασκευής του 1840) και του Καθεδρικού ναού του Καντέρμπουρι του 1292. Γνωστό, επίσης, είναι το ρολόι του Δικαστικού Μεγάρου στο Παρίσι, κατασκευής επί βασιλείας Καρόλου του Ε΄ του Σοφού (1364-1380). Μοναδικό στο είδος του θεωρείται και το μουσικό ρολόι της Βιέννης, δείχνοντας την ώρα με παραστάσεις από την ιστορία της Βιέννης [3,8].

Τα πρώτα μηχανικά ρολόγια ήταν ανακριβή και ρυθμίζονταν συχνά στηριζόμενα στις ενδείξεις των ηλιακών ρολογιών. Στις αρχές του 14ου αιώνα κατασκευάστηκαν τα πρώτα φορητά ρολόγια δωματίου, σύμβολα κοινωνικής θέσης και πλούτου. 

Το ελεύθερο εκκρεμές αποτέλεσε πηγή έμπνευσης για την κατασκευή μηχανικών ωρολογιακών μηχανισμών. Αιτία αποτελεί το γεγονός του σταθερού χρόνου μιας πλήρους αιώρησης ανεξάρτητα από το πλάτος της. Περί το 1582 μ.Χ. ο Γαλιλαίος παρατήρησε την χαρακτηριστική χρονομετρική ιδιότητα του εκκρεμούς, μετρώντας τον χρόνο που έκαναν οι πολυέλαιοι του καθεδρικού ναού της Πίζας όταν ταλαντεύονταν. Ανακάλυψε ότι οι ταλαντώσεις τους ήταν ισόχρονες και σκέφθηκε ότι μπορούσαν να χρησιμεύσουν για τη μέτρηση του χρόνου. Έτσι, το 1637, πέντε χρόνια πριν τον θάνατό του, επινόησε ένα χειροκίνητο μηχανισμό για αυτόν τον σκοπό. Την παρατήρηση αυτή αξιοποίησε ο Ολλανδός Κρίστιαν Χόυχενς από το 1656 και μετά οδηγώντας στον μηχανισμό του κυκλοειδούς εκκρεμούς. Ρολόγια με κίνηση αντιβάρων και βραχέα εκκρεμή αναρτώνται σε τοίχους από τον 17ο αιώνα. Τα ρολόγια αυτά ήταν χονδροειδή και, λόγω των τριβών, ανακριβή, αποτελώντας, όμως, τους προδρόμους των σημερινών αναλογικών ξυπνητηριών [3,13,14].

Στους επόμενους αιώνες, και ειδικά τον 17ο και 18ο, γίνονται τεράστια άλματα στην ανάπτυξη των μηχανικών συστημάτων μέτρησης χρόνου, με αποτέλεσμα τον πολύ ακριβέστερο προσδιορισμό του. Η χρήση του σπειροειδούς ελατηρίου και η ανακάλυψη της άγκυρας διαφυγής από τον Ρόμπερτ Χουκ (σύγχρονος του Νεύτωνα) μαζί με την εισαγωγή του επανορθωτικού εκκρεμούς, αλλάζουν άρδην τον τρόπο λειτουργίας και την ακρίβεια των ρολογιών. Μετά τον 17ο αιώνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα μικρά φορητά ρολόγια (**).

Κατά τον 19ο αιώνα κατασκευάζονται εκπληκτικά αστρονομικά χρονόμετρα. Γύρω στα 1900, ο Γάλλος Κάρολος Φερύ ανακαλύπτει τη βάση των σύγχρονων ηλεκτρικών ρολογιών. Τα χρονόμετρα αυτά παρουσιάζουν ακρίβεια της τάξης των 0,1 δευτερολέπτων ημερησίως. Το 1925 το “εκκρεμές ελεύθερων αιωρήσεων” παρέχει ακρίβεια 10 δευτερολέπτων ανά έτος [3].

Τον 20ο αιώνα κατασκευάζονται τα πρώτα μη συμβατικά χρονόμετρα στα οποία χρησιμοποιούνται κρύσταλλοι χαλαζία (τα γνωστά quartz). Το πρώτο τέτοιο ρολόι με παλλόμενο κρύσταλλο χαλαζία κατασκευάζεται το 1928 από τον  Μάρριζον. Μετά από αρκετές βελτιώσεις πέτυχε  το 1942 ακρίβεια 1/1000 του δευτερολέπτου την ημέρα, δηλαδή 10 φορές καλύτερη από οποιοδήποτε εκκρεμές. Τα χρονόμετρα αυτά χρησιμοποιούνται ακόμη σε αστεροσκοπεία παρέχοντας ακρίβεια μέχρι 1/1.000.000 του δευτερολέπτου. Το μειονέκτημα αυτών των χρονομέτρων είναι ότι αχρηστεύονται μέσα σε μερικά χρόνια, σε αντίθεση με τα πολύ μακροβιότερα εκκρεμοφόρα ρολόγια [3,14].

Μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, οι επιστήμονες στράφηκαν στην κατασκευή ακριβέστερων χρονομέτρων, βασιζόμενοι στη χρησιμοποίηση των ιδιοσυχνοτήτων των ατόμων. Με αυτόν τον τρόπο προέκυψαν τα ατομικά ρολόγια. Η λειτουργία τους στηρίζεται σε μία απλή ιδιότητα των ατόμων και των μορίων. Τα άτομα/μόρια εκπέμπουν και απορροφούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε συγκεκριμένες σταθερές συχνότητες που έχουν σχέση με τη δομή τους. Η συχνότητα αυτή μετριέται σε Hertz (Ηz), το αντίστροφο του δευτερολέπτου. Η συχνότητα απορρόφησης/εκπομπής του μορίου ή του ατόμου παίζει τον αντίστοιχο ρόλο της συχνότητας ταλάντωσης του εκκρεμούς, δίνοντας την αντίστοιχη ακρίβεια μέτρησης χρόνου στα ρολόγια αυτά. Δύο τέτοια ρολόγια είναι το ατομικό ρολόι αμμωνίας και το ατομικό ρολόι καισίου. Το πρώτο έχει ως ρυθμιστική συχνότητα τη συχνότητα απορρόφησης του μορίου της αμμωνίας στα 23.870.127.000 Hz, παρέχοντας ακρίβεια 1/100.000.000 του δευτερολέπτου. Το δεύτερο έχει ως ρυθμιστική συχνότητα τη συχνότητα ακτινοβολίας του καισίου στα 9.192.631.770 Hz, δίνοντας ακρίβεια 1/10.000.000.000 του δευτερολέπτου. Με βάση το ατομικό ρολόι καισίου ορίστηκε με ακρίβεια το χρονικό διάστημα του ενός δευτερολέπτου, που ονομάστηκε “ατομικό δευτερόλεπτο” ή, διεθνώς, S.I. second (System International second). Το πρώτο ρολόι αμμωνίας κατασκευάστηκε στις ΗΠΑ το 1949 [3] και το πρώτο ρολόι καισίου στο Ηνωμένο Βασίλειο το 1955 [14].

Τα ατομικά ρολόγια έδωσαν τη δυνατότητα να υπολογίζουμε με πρωτόγνωρη ακρίβεια τον χρόνο χωρίς να καταφεύγουμε στο χρονόμετρο-Γη και στη βοήθεια των αστρονομικών παρατηρήσεων. Περνάμε, με αυτόν τον τρόπο, από το μακροσκοπικό-αστρονομικό ορισμό μέτρησης του χρόνου στο μικροσκοπικό-ατομικό ορισμό του. Με την εισαγωγή της κλεψύδρας, στη συνέχεια του μηχανικού ρολογιού και, τελικά, του ατομικού, ο Χρόνος αντιμετωπίζεται πια ως μία ρέουσα πραγματικότητα ανεξάρτητη από το Ουράνιο γίγνεσθαι αλλά, ταυτόχρονα, άμεσα συντονισμένη με αυτό. Με τα ατομικά ρολόγια ο άνθρωπος μπορεί πια, με απίστευτη ακρίβεια, να ελέγχει ακόμα και τις μικρές ανωμαλίες του χρόνου ιδιοπεριστροφής τη Γης αλλά και τον ακριβή συντονισμό του αστρονομικού χρόνου. Στον 21ο αιώνα έχουμε φτάσει πια σε ακρίβεια της τάξης ~10^-15 του δευτερολέπτου, δηλαδή 100.000 φορές καλύτερη από το αρχικό ρολόι καισίου, ενώ ένα νέο ατομικό ρολόι που μετράει τον χρόνο με τον εντοπισμό των φυσικών δονήσεων ατόμων στροντίου στο κόκκινο φως λέιζερ είναι τόσο ακριβές, που μπορεί να μετρήσει ακόμη και τις ελάχιστες αλλαγές που γίνονται στο πέρασμα του χρόνου από διαφορετικά υψόμετρα. Δε χάνει ούτε ένα δευτερόλεπτο στα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια (το 1/3 περίπου της ηλικίας του σύμπαντος και μεγαλύτερο από την ηλικία της Γης [15,16]. Επίσης, το 2020, επιστήμονες μέτρησαν το μικρότερο χρονικό διάστημα ως τώρα, που ισούται με τον χρόνο που χρειάζεται το φως για να διασχίσει ένα μόριο υδρογόνου. Αυτός ο χρόνος υπολογίστηκε ως 247 zeptosecond, δηλαδή 247 δισεκατομμυριοστά του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου (!) (ή σε εκθετική μορφή ένα zeptosecond=10^-21 δευτερόλεπτα) [17].

Όλα αυτά, φυσικά, θα ήταν ανούσια αν η ανθρωπότητα δεν είχε έναν κοινό χρόνο αναφοράς. Θα μου πείτε, “αυτό δεν είναι προφανές;” Όχι, μέχρι πρόσφατα δεν ήταν κάτι τέτοιο αυτονόητο. Μέχρι την έλευση του σιδηροδρόμου, οι μεγάλες πόλεις, οι μικρές πόλεις και τα χωριά λειτουργούσαν με τη δική τους ώρα και αυτό τόνιζε την ατομικότητά τους [13,18]. Για παράδειγμα , τη δεκαετία του 1830, η ώρα Λονδίνου ήταν πιο μπροστά  από την ώρα Reading κατά 4 λεπτά, από την ώρα Cirencester κατά 7 λεπτά και 30 δεύτερα, και από την ώρα Bridgewater κατά 14 λεπτά. Καταλαβαίνουμε ότι αυτό δεν ήταν ό,τι καλύτερο για τους ταξιδιώτες και την ανταλλαγή αγαθών μέσω των μέσων μεταφοράς της εποχής [18]. Όσο οι μεταφορές και οι τηλεπικοινωνίες βελτιώνονταν, κατέστη τελείως άβολο κάθε περιοχή να έχει τον δικό της τοπικό ηλιακό χρόνο.

Το Βασιλικό Αστεροσκοπείο του Greenwich, που ιδρύθηκε το 1675,  καθιέρωσε τον μέσο ηλιακό χρόνο Greenwich (G.Μ.Τ.). Το 1878 ο Καναδο-Σκωτσέζος Σάντφορντ Φλέμινγκ είχε την ιδέα να διαιρέσει τη Γη σε ατράκτους, χρησιμοποιώντας 24 μεσημβρινούς με αρχή το Greenwich. Το 1880 πρώτη η Μεγάλη Βρετανία αποφασίζει να συγχρονίσει τον χρόνο της με αυτό του Greenwich. Από το 1884 και μετά, πολλές ευρωπαϊκές χώρες υιοθετούν το σύστημα των ατράκτων (ή ζωνών ώρας). Μόλις το 1918 οι ΗΠΑ υιοθέτησαν το σύστημα αυτό με απόφαση του Κογκρέσου [3,19].

Το 1884, σε συνέδριο που έγινε στην Ουάσιγκτον με τη συμμετοχή 25 κρατών, θεσμοθετήθηκε ως Παγκόσμιος Χρόνος (U.T. Universal Time) ο μέσος ηλιακός χρόνος του Greenwich, ενώ από την 1η Ιανουαρίου του 1972 το Bureau International de I’ Heure (B.I.H) στο Παρίσι, εκπέμπει συνεχώς σήμα ατομικού χρόνου χρησιμοποιώντας ένα παγκόσμιο δίκτυο από 220 ατομικά ρολόγια που βρίσκονται σε πάνω από 50 εθνικά εργαστήρια. Ο συγχρονισμός τους επιτυγχάνεται σε ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Ο χρόνος αυτός ονομάζεται Συντονισμένος Παγκόσμιος Χρόνος (Co-ordinated Universal Time-U.T.C.) που αντικατέστησε διεθνώς τον G.M.T. Η εκπομπή του γίνεται από το Παρίσι, ενώ για λόγους παράδοσης συνεχίζουμε να θεωρούμε ως μεσημβρινό αναφοράς αυτόν του Greenwich. Για παράδειγμα, η Αθήνα εμφανίζεται ως  UTC+02:00 ή GMT+02:00  που βλέπουμε σε πολλές εφαρμογές στο κινητό ή τον υπολογιστή μας. Αυτό σημαίνει ότι η Αθήνα βρίσκεται στη δεύτερη ανατολική άτρακτο (30 μοίρες ανατολικά του Greenwich), 2 ώρες μπροστά από το Greenwich (3 ώρες με τη θερινή ώρα).

Η σύγχρονη βιομηχανία και, κατ’ επέκταση, η οικονομία στηρίζεται στην ικανότητά μας να μετράμε με μεγάλη ακρίβεια τον χρόνο. Το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού (GPS), για να υπολογίσει την ακριβή θέση, απαιτεί ακριβή γνώση του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσουν στο συγκεκριμένο σημείο τα σήματα των ειδικών δορυφόρων GPS. Τα δίκτυα μηχανών και συστημάτων (δορυφόρων, κόμβων Internet, δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, τηλεπικοινωνιών κτλ.), για να πραγματοποιήσουν τις συντονισμένες ενέργειες που απαιτούνται, πρέπει επίσης να συμφωνούν με ακρίβεια στην ώρα [15,16,19]. Όλες οι καθημερινές μας δραστηριότητες, οι χρηματοοικονομικές συναλλαγές μας αλλά και οι κοινωνικές αλληλεπιδράσεις, απαιτούν πολλές φορές ακρίβεια δευτερολέπτων ή και μικρότερη. Η ακριβής γνώση του χρόνου είναι απαραίτητη στη σύγχρονη εποχή. Αποσυντονισμός του Παγκοσμίου Χρόνου θα δημιουργούσε, πολύ σύντομα, ένα πλανητικό χάος.

Είναι, όμως, ο Χρόνος αυτό που μετρούν τα ρολόγια μας;

 (*για τα ημερολόγια και τον τρόπο υπολογισμού των χρονολογιών θα αναφερθούμε σε ξεχωριστό άρθρο ή οι άμεσα ενδιαφερόμενοι ανατρέχουν στην πηγή [12], στις 1.3 και 1.4 ενότητες)

(**αυτά που βλέπουμε σε ταινίες εποχής ως ρολόγια τσέπης ή κάποιοι τα έχουν ακόμη ως χρυσά κοσμήματα κειμήλια, με το ασορτί αλυσιδάκι. Φυσικά, μπορούμε να βρούμε και σύγχρονης κατασκευής τέτοια ρολόγια.)

Ενδεικτικές πηγές-Βιβλιογραφία (και οι αναφορές στα μέρη Α και Β)

[12] Μελέτη βυζαντινών και μετα-βυζαντινών κειμένων με θέματα αστρονομίας , Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

[13] Η ιστορία της μέτρησης του χρόνου – Κάρεν Μένσινγκ, Ted-Ed, YouTube

[14] Η ιστορία του ρολογιού, www.in.gr

[15] Μετρώντας το χρόνο με ακρίβεια, Ριζοσπάστης, Ένθετο Επιστήμη

[16] Το ρολόι, όργανο μέτρησης του χρόνου, Του Κωνσταντίνου Δ. Καρπούζα, Καθηγητού Φυσικής-Χημείας, 21/11/2020

[17] Μέτρηση του μικρότερου χρονικού διαστήματος, texnologia.net (προσοχή σε λαθάκια που υπάρχουν. Το αγγλικό κείμενο στο, “Zeptoseconds: New world record in short time measurement“)

[18] “Ο Αινστάιν και η σχετικότητα”, Θόδωρος Αραμπατζής – Κώστας Γαβρόγλου, ΠΕΚ, 2005

[19] Time Ζone, Wikipedia