Mengukur Yang Tidak Terukur
Masa adalah satu-satunya sumber yang setiap tamadun cuba untuk tentukan, dan bagi sebahagian besar sejarah manusia, usaha itu adalah mengejutkan tidak tepat. Seorang petani perlu tahu musim, seorang paderi waktu upacara, seorang pelaut saat air pasang. Namun alat yang tersedia untuk menjawab soalan-soalan itu terdiri daripada bayang di atas tanah kepada tempayan air yang menitis. Kisah penjagaan masa adalah kisah manusia perlahan-lahan bergelut dengan abstraksi yang licin menjadi nombor yang semakin halus, bergerak daripada peranti yang tepat hingga ke jam terdekat kepada jam yang tidak akan kehilangan sesaat dalam seumur hidup alam semesta.
Berikut adalah sejarah ringkas perjalanan itu, daripada jam matahari Mesir purba kepada jam kekisi optik yang berdengung di makmal hari ini.
Bayang dan Cahaya Matahari: Jam Pertama
Penjaga masa terawal memandang ke atas daripada ke bawah. Semasa matahari melintasi langit, bayang yang dihasilkannya menyapu tanah dalam lengkok yang boleh diramal, dan mana-mana objek tinggi boleh berfungsi sebagai penunjuk. Orang Mesir purba mendirikan obelisk yang menjulang tinggi seawal sekitar 3500 SM, dan bayang-bayangnya yang bergerak membahagikan waktu siang kepada bahagian yang boleh dikenali. Menjelang kira-kira 1500 SM, orang Mesir menggunakan jam bayang mudah alih — palang mendatar dengan palang silang yang dinaikkan yang menghasilkan bayang di sepanjang skala yang ditanda.
Peranti ini matang menjadi jam matahari, yang diperhalusi oleh orang Yunani dan Rom dengan memahami bahawa pembuat bayang, atau gnomon, perlu dicondongkan ke arah kutub cakerawala untuk mengekalkan waktu yang konsisten sepanjang tahun. Jam matahari adalah elegan dan tidak memerlukan penyelenggaraan, tetapi ia berkongsi dua kelemahan yang jelas: ia tidak berguna pada waktu malam dan tidak berdaya di bawah awan. Masa, ternyata, tidak boleh bergantung pada cuaca.
Air Yang Menjaga Masa
Penyelesaiannya adalah untuk mengukur sesuatu yang lebih boleh dipercayai daripada cahaya matahari: aliran air yang tetap. Jam air, atau clepsydra (Yunani untuk "pencuri air"), pertama kali muncul di Mesir sekitar pemerintahan Amenhotep III pada abad ke-14 SM. Dalam bentuknya yang paling mudah, air menitis pada kadar yang hampir tetap dari bekas yang ditanda, dan paras yang menurun menunjukkan waktu yang berlalu.
Budaya yang berbeza mendorong idea itu ke arah yang berbeza. Di Greece, jurutera menambah pelampung, gear, dan dail, dan clepsydra menjadi lekapan di mahkamah, di mana ia mengawal masa ucapan para pemidato. Di China, teknologi mencapai tahap yang luar biasa. Pada tahun 1088 M, polymath Su Song menyiapkan menara jam astronomi pacuan air setinggi lebih sepuluh meter, menggabungkan mekanisme pelepasan yang membebaskan air dalam denyutan yang diukur untuk memusingkan kerja — boleh dikatakan nenek moyang konseptual jam mekanikal yang akan datang.
Jam air membebaskan penjagaan masa daripada matahari, membolehkan waktu dikira sepanjang malam dan dalam sebarang cuaca. Tetapi air membeku, menyejat, dan mengalir lebih laju apabila bekas penuh berbanding apabila ia hampir kosong. Ketepatan kekal sukar dicapai.
Revolusi Mekanikal
Pemecahan yang menentukan datang di Eropah zaman pertengahan. Pada suatu masa pada akhir abad ke-13, seorang tukang yang tidak dikenali — ciptaan itu tidak mempunyai seorang pencipta yang dinamakan — mencipta pelepasan verge, dan dengan itu jam mekanikal dilahirkan.
Prinsipnya adalah bijak. Pemberat yang jatuh memberikan kuasa yang tetap, tetapi muslihatnya adalah untuk melepaskan kuasa itu dalam kenaikan terkawal dan bukannya membiarkannya lari sekaligus. Pelepasan verge menggunakan palang mendatar (foliot) dengan pemberat pada setiap hujung yang bergoyang ke belakang dan ke belakang, melibatkan dan melepaskan roda bergigi dengan setiap hayunan. Setiap ayunan membiarkan gear maju dengan satu langkah yang diukur. Detik-detik ini — tandatangan boleh didengar pelepasan — boleh dikatakan bunyi yang menentukan tamadun mekanikal.
Jam awal ini, dipasang di menara katedral dan bandar di seluruh abad ke-14, adalah kasar mengikut piawaian moden, sering terpesong lima belas minit atau lebih sehari. Ia sering tidak mempunyai dail langsung, hanya wujud untuk membunyikan loceng (perkataan clock berasal daripada bahasa Latin clocca, yang bermaksud loceng). Namun, ia mewakili sesuatu yang mendalam: buat pertama kalinya, mesin mengukur masa dengan pergerakan dalamannya sendiri, sepenuhnya bebas daripada matahari, air, atau musim.
Huygens dan Bandul
Selama hampir empat abad, jam mekanikal kekal tidak tepat yang mengecewakan, kerana foliot tidak mempunyai irama semula jadi sendiri — ia berayun sepantas atau selambat mekanisme menolaknya. Kejayaan datang pada tahun 1656, apabila saintis Belanda Christiaan Huygens membina jam bandul praktikal yang pertama.
Huygens menggunakan pemerhatian awal Galileo bahawa bandul dengan panjang tertentu berayun dengan tempoh yang luar biasa tetap tanpa mengira betapa lebarnya ayunan. Dengan memanfaatkan keteraturan semula jadi itu sebagai elemen penjagaan masa jam, Huygens mengubah bidang itu hampir semalaman. Di mana jam mekanikal terbaik telah tersilap beberapa minit sehari, jam bandulnya tidak lama kemudian tepat dalam kira-kira lima belas saat — dan penghalusan kemudian menolak ralat di bawah satu saat sehari.
Lompatan itu mengejutkan: kira-kira peningkatan seratus kali ganda dalam satu pukulan. Jam bandul akan kekal sebagai penjaga masa paling tepat di dunia untuk 270 tahun akan datang, berdiri di balai cerap dan menentukan masa rasmi negara.
Masalah Longitud
Jam yang tepat bukan sekadar rasa ingin tahu saintifik; ia memegang kunci kepada salah satu cabaran praktikal yang hebat pada zaman itu — mencari kedudukan seseorang di laut. Latitud kapal boleh dibaca dari ketinggian matahari atau bintang, tetapi longitud tidak mempunyai penyelesaian yang mudah. Kerana Bumi berputar 15 darjah longitud setiap jam, seorang pelaut yang tahu masa yang tepat di titik rujukan tetap, dan membandingkannya dengan tengah hari tempatan di atas kapal, boleh mengira sejauh mana timur atau barat mereka telah belayar. Masalahnya ialah tiada jam boleh menyimpan masa yang tepat di atas kapal yang bergoyang, suhu berayun, dan disembur garam. Bandul tidak berguna di atas dek yang bergolek.
Taruhannya adalah maut. Kapal terkandas dan kekayaan tenggelam kerana kekurangan jawapan, dan pada tahun 1714 Parlimen British menawarkan hadiah yang besar untuk penyelesaian yang boleh dipercayai. Masukkan John Harrison, seorang tukang kayu dan pembuat jam Yorkshire yang belajar sendiri yang mengabdikan hidupnya untuk masalah itu. Selama beberapa dekad dia membina satu siri kronometer marin, memuncak dalam karya agungnya, H4, siap pada tahun 1759. Padat dan seperti permata, ia menggunakan roda imbangan yang berdegup pantas yang kebal terhadap pergerakan kapal. Pada pelayaran 1761 ke Jamaica, H4 hanya kehilangan kira-kira lima saat dalam 81 hari — ketepatan yang kelihatan hampir ajaib. Harrison telah menyelesaikan masalah longitud dan, dengan berbuat demikian, menjadikan navigasi global yang boleh dipercayai pada abad-abad berikutnya mungkin.
Kuartza: Masa Tanpa Gear
Revolusi seterusnya meninggalkan pergerakan mekanikal sama sekali. Pada tahun 1927, jurutera Warren Marrison dan J. W. Horton di Bell Telephone Laboratories membina jam kuartza yang pertama. Apabila arus elektrik digunakan pada kristal kuartza, ia bergetar pada frekuensi yang sangat stabil — sifat yang dipanggil piezoelektrik. Dengan mengira getaran itu secara elektronik, jam boleh menyimpan masa tanpa bandul berayun dan tanpa pelepasan untuk haus.
Jam kuartza dengan cepat mengatasi instrumen bandul yang terbaik, dan menjelang pertengahan abad ke-20 ia telah menjadi piawaian makmal baharu. Kejayaan sebenar, bagaimanapun, adalah pengecilan. Menjelang tahun 1970-an, pergerakan kuartza adalah murah dan cukup kecil untuk dimuatkan di dalam jam tangan, meletakkan penjagaan masa yang lebih tepat daripada mana-mana jam balai cerap abad ke-19 pada pergelangan tangan orang biasa. Jam tangan kuartza di lengan anda hari ini adalah keturunan langsung daripada kejayaan 1927 itu.
Zaman Atom
Malah kuartza mempunyai had, kerana kristal berbeza sedikit dengan suhu dan usia. Rujukan muktamad terpaksa datang dari alam semula jadi sendiri — dari tingkah laku atom yang tidak berubah. Pada tahun 1955, Louis Essen dan Jack Parry di Makmal Fizik Kebangsaan di United Kingdom membina jam atom sesium yang tepat yang pertama. Ia mengukur masa dengan frekuensi resonans atom sesium-133, yang menyerap dan memancarkan sinaran gelombang mikro pada frekuensi yang begitu konsisten sehingga ia pada asasnya ditetapkan oleh undang-undang fizik.
Jam atom adalah jauh lebih baik daripada apa-apa sebelumnya sehingga ia memaksa definisi semula masa itu sendiri. Selama beribu tahun, saat telah ditakrifkan oleh putaran Bumi — sebahagian kecil daripada sehari. Tetapi Bumi adalah penjaga masa yang goyah dan perlahan-lahan. Jadi pada tahun 1967, komuniti antarabangsa secara rasmi mentakrifkan semula saat SI sebagai tepat 9,192,631,770 ayunan sinaran daripada atom sesium-133. Buat pertama kalinya, unit asas masa terlepas dari cakerawala dan berlabuh kepada atom.
Ketepatan masa atom tidak lama kemudian membentuk semula unit lain juga. Pada tahun 1983, meter ditakrifkan semula sebagai jarak yang dilalui cahaya dalam vakum dalam 1/299,792,458 saat. Kerana kelajuan cahaya kini dianggap sebagai pemalar tetap alam semula jadi, jarak itu sendiri ditakrifkan dari segi masa. Pemalar itu sememangnya besar — cahaya meliputi kira-kira 1.08 bilion km/j (Kelajuan cahaya dalam vakum ke kilometer/jam) atau kira-kira 671 juta mph (Kelajuan cahaya dalam vakum ke batu/masa) — itulah sebabnya sebahagian kecil daripada satu saat sudah cukup untuk menjangkau satu meter penuh dan jauh melampauinya.
Masa Depan: Jam untuk Zaman Alam Semesta
Penjagaan masa tidak berhenti dengan sesium. Sempadan hari ini adalah milik jam kekisi optik, yang memerangkap beribu-ribu atom — selalunya strontium atau ytterbium — dalam grid cahaya laser dan membaca ayunan mereka pada frekuensi optik dan bukannya gelombang mikro. Kerana ia berdetik ratusan ribu kali lebih cepat daripada sesium, ia boleh diukur dengan ketepatan yang mengejutkan.
Jam terbaik ini sangat stabil sehingga ia tidak akan memperoleh atau kehilangan satu saat pun dalam berbilion tahun — lebih lama daripada usia semasa alam semesta. Ketepatan sedemikian bukanlah pertunjukan kosong. Ia cukup tepat untuk mengesan kelembapan kecil masa yang diramalkan oleh Einstein apabila jam dinaikkan hanya beberapa sentimeter lebih tinggi dalam graviti Bumi, membuka pintu untuk menggunakan jam sebagai penderia untuk geologi, navigasi, dan fizik asas. Definisi semula masa depan saat, berdasarkan peralihan optik dan bukannya sesium, secara meluas dijangka pada tahun-tahun akan datang.
Dari Bayang ke Zon
Dari bayang obelisk kepada kekisi atom terperangkap, lengkok penjagaan masa telah membengkok tanpa henti ke arah ketepatan. Setiap lompatan — pelepasan, bandul, kronometer, kuartza, atom — membawa dunia ke dalam penyegerakan yang lebih ketat. Ketepatan itu adalah perancah yang tidak kelihatan di bawah kehidupan moden: ia menyelaraskan satelit, cap masa urus niaga kewangan, dan mengekalkan internet selangkah merentasi benua.
Ia juga mendasari sesuatu yang anda gunakan setiap hari. zon waktu yang tersusun rapi yang membolehkan anda menjadualkan panggilan merentasi dunia atau menaiki penerbangan di seberang dunia hanya mungkin kerana kita semua boleh bersetuju, hingga ke pecahan sesaat, tentang pukul berapa sebenarnya.
Soalan Lazim
Apakah peranti pertama yang digunakan untuk memberitahu masa?
Penjaga masa terawal adalah berasaskan bayang. Obelisk Mesir purba, yang didirikan seawal sekitar 3500 SM, menghasilkan bayang bergerak yang membahagikan hari, dan sekitar 1500 SM orang Mesir menggunakan jam bayang mudah alih. Ini berkembang menjadi jam matahari, diperhalusi oleh orang Yunani dan Rom. Hadnya adalah jelas: ia hanya berfungsi pada waktu siang dan langit cerah.
Siapa yang mencipta jam bandul?
Saintis Belanda Christiaan Huygens membina jam bandul praktikal pertama pada tahun 1656, menggunakan pemerhatian Galileo bahawa bandul berayun dengan tempoh yang tetap. Ia meningkatkan ketepatan kira-kira seratus kali ganda, daripada banyak minit ralat sehari kepada saat, dan jam bandul kekal sebagai penjaga masa paling tepat di dunia selama lebih 250 tahun.
Bagaimanakah jam membantu pelaut mencari kedudukan mereka?
Kerana Bumi berputar 15 darjah longitud setiap jam, seorang pelaut yang tahu masa yang tepat di titik rujukan tetap boleh membandingkannya dengan tengah hari tempatan di atas kapal untuk mengira longitud. Kronometer marin John Harrison H4, siap pada tahun 1759, menyimpan masa dengan cukup tepat di laut untuk menyelesaikan "masalah longitud" ini, hanya kehilangan kira-kira lima saat dalam pelayaran 81 hari.
Bagaimanakah saat ditakrifkan hari ini?
Sejak 1967, saat SI telah ditakrifkan sebagai tepat 9,192,631,770 ayunan sinaran yang dipancarkan oleh atom sesium-133. Ini menggantikan definisi lama berdasarkan putaran Bumi, yang terlalu tidak teratur. Jam atom sesium tepat pertama dibina oleh Louis Essen dan Jack Parry pada tahun 1955.
Apakah jam paling tepat yang pernah dibuat?
Jam paling tepat hari ini ialah jam kekisi optik, yang memerangkap atom seperti strontium atau ytterbium dalam cahaya laser dan membaca ayunan frekuensi optiknya. Yang terbaik daripadanya cukup stabil untuk tidak memperoleh atau kehilangan satu saat pun dalam berbilion tahun — lebih lama daripada usia alam semesta.