السـلآمُ عليكُم ورحمةُ الله وبركاتـُه








الثانية



الثانية seconde هي المقابل العربي للكلمة اللاتينية secunda، وتعني التقسيم الثاني، وتطلق على التقسيم الثاني للدرجة (الثانية القوسية) وللساعة (الثانية الزمنية).

أما
الثانية القوسية فهي وحدة قياس الزوايا المستوية، وتساوي جزءاً واحداً من
3600 جزء من الدرجة، أو جزءاً من 60 جزءاً من الدقيقة، ويرمز لها بالإشارة [²].

وأما الثانية الزمنية فهي وحدة قياس الزمن في جملة الوحدات الدولية (SI)، وهي تعادل 9192631770 دوراً من أدوار الإشعاع الناتج من الانتقال بين مستويي البنية الفائقة الدقة hyperfine للحالة الأساسية لذرة السيزيوم 133، ويرمز إليها بالحرفين «ثا».

وتغير
تعريف الثانية الزمنية عدة مرات، ويعود ذلك إلى تطور أدوات قياس الزمن
وطرائقه. فقد كان القياس الفلكي لدوران الأرض حول محورها الأساسي في تعريف
الثانية بأنها جزء من 86400 جزء من اليوم الشمسي الوسطي، وهي الثانية
الشمسية. وتعرَّف الثانية أيضاً اعتماداً على دوران الأرض حول الشمس بأنها
جزء من 31556925.9747 جزءاً من السنة المدارية، وهي الثانية التقويمية éphimérides،
وكلتاهما تعرفان بالثانية الفلكية. وتمتاز منهما الثانية الذرية، التي
اعتُمد تعريفها الوارد في بداية البحث عام 1976، وذلك لأن الميقاتيات
الذرية أكثر دقة. وقد تبين بها عدم انتظام دوران الأرض حول محورها أو حول
الشمس.

الثانية الشمسية

كان دوران الشمس الظاهري دليلَ الإنسان على مرور الزمن وتتابع الأيام. وقد قُسِّم اليوم بوساطة الميقاتيات إلى 24
ساعة، وقسِّمتْ الساعة إلى 60 دقيقة، وقسِّمتْ الدقيقة إلى 60 ثانية،
وبذلك يكون في اليوم الواحد 86400 ثانية. ويقوم الفلكيون بضبط الميقاتيات
وفقاً لدوران الشمس الظاهري ولحركة النجوم، وهم بذلك يحدِّدون الثانية
تحديداً دقيقاً بتقسيم وحدة الزمن الطبيعية (اليوم الشمسي)، وهي المدة
الفاصلة بين مرور الشمس من خط طولٍ سماوي مرتين متعاقبتين. لكن هذه المدة
ليست ثابتة، ويعود ذلك لأسباب عدة أهمها أن هذه المدة ليست ناجمة عن دوران
الأرض حول محورها فحسب، وإنما عن دوران الأرض السنوي حول الشمس على مدار
إهليلجي، وهذا يؤدي إلى عدم انتظام سرعتها. لذلك فإن الفلكيين لا يرصدون
الشمس بل النجوم، فيحصلون على التوقيت النجمي الذي يُستنتج منه التوقيت
الشمسي الوسطي. فاليوم النجمي أقصر من اليوم الشمسي بمقدار صغير يؤلف
تراكمه يوماً واحداً كل سنة. ويدعى سلم الزمن الناتج على هذا النحو
بالتوقيت العالمي (Temps Universel) TU. وبإجراء تصحيح صغير يتعلق بانزياح قطب الأرض يجري الحصول على TU1، ويُحصل على التوقيت TU2 بإجراء تصحيح آخر فصلي يتعلق بدوران الأرض حول محورها، وتُحسب الثانية الشمسية بتقسيم التوقيت الأخير TU2.

الثانية التقويمية

لاحظ الفلكي سيمون نيوكومب S.Newcomb
عام 1870 أنَّ موضع القمر ومواضع الكواكب تبتعد بطريقة متزايدة عن المواضع
التي تُحسب وفق نظرية التجاذب العالمي، واستنتج أنه يمكن تعليل هذا
الابتعاد إذا أُخذ بالحسبان أن الثانية الشمسية، الناتجة من دوران الأرض
حول محورها، ليست ثابتة بسبب عدم انتظام هذا الدوران، وأن الميقاتيات التي
تضبط على أساسها تتأخر. ويعود هذا التأخر إلى أن جزءاً من الطاقة الحركية
لدوران الأرض يتحول إلى حرارة بسبب الاحتكاك الناشئ عن حركة المد والجزر في
المحيطات، فطول اليوم يزداد بمقدار 0.00164 ثانية كل قرن نتيجة لتراكم هذا التأخر. وقد تأخر التوقيت العالمي TU
قياساً بتوقيت منتظم ثلاث ساعات منذ ميلاد المسيح، ويُضاف إلى هذا التأخر
البطيء شذوذات أخرى لم يُعرف تفسير لها. وتخلَّى الفلكيون (اتحاد الفلكيين
الدولي، 1952) عن الزمن الطبيعي الذي يعتمد على دوران الأرض حول محورها،
واختاروا دوران الأرض السنوي حول الشمس، وبصورة أدق، السنة المدارية التي
هي المدة الفاصلة بين مرور الشمس مرتين متتاليتين في اتجاه النقطة الربيعية
(تقاطع مدار الأرض حول الشمس مع خط الاستواء السماوي في اتجاه الشمس وهي
في نقطة الاعتدال الربيعي). وتتغير مدة السنة المدارية قليلاً وفق نظام
معروف، ولذلك يحدَّد العام الذي جرى فيه تعريف الثانية التقويمية (وقد
اختير العام 1900 لهذه الغاية). وتتيح نظرية المجموعات thèorie d’ensemble التي تتنبأ بمواضع الأجرام السماوية للمنظومة الشمسية تعريف سلم للزمن الطبيعي يدعى التوقيت التقويمي (temps des éphimérides) TE وذلك عن طريق رصد هذه الأجرام، ولاسيما القمر، ويُحصل على الثانية التقويمية من تقسيم سنوات هذا السلّم TE. ويُعتقد أن هذا السلم منتظم بتقريب يبلغ نحو 10-9
تحدّده دقّة الأرصاد وتقريبات النظريات. والدِّقَّة في هذا السلّم أفضل
بنحو مئة مرة من تلك العائدة إلى دوران الأرض اليومي، لكنَّ التوقيت
التقويمي والثانية التقويمية لم يعودا مفيدين إلا في علم الفلك، إذ مكّنت
المعايير الذرية للترددات والميقاتيات الذرية، التي ابتكرها الفيزيائيون،
من إيجاد التعريف الحالي للثانية الذي يستخدم لوضع سلَّم التوقيت الذري
الدولي (Temps Atomique International) T.A.I.

الثانية الذرية

وضع إيجاد الثانية الذرية حدَّاً لغلبة التوقيت الفلكي المغرق في القدم، إذ حل محله التوقيت المستند إلى ظواهر كمومية quantiques. فمن المعروف أن قيم طاقة ذرة أو جزيء ما تؤلف سلسلة منفصلة من المستويات. ولدى الانتقال بين مستويين يظهر الفرقُ بين طاقتيهما ΔE بصورة إشعاع كهرمغنطيسي تردُّده (ν) يحقِّق علاقة بلانك[ر] Planck وهي: ΔE =hν (حيث h ثابتة بلانك قيمتها العددية هي 6.6262×10-34جول ثانية). استُعمل في معايير التردد الذرية الأولى الانتقالُ بين مستويين اهتزازيين لجزيء الأمونياك NH3، ثم استعمل الانتقال بين مستويات البنية الفائقة الدقة لذرات الهدروجين H أو السيزيوم Cs أو التاليوم Tl أو الروبيديوم Rb. وفي علم الطيوف يوصف انتقال بأنه «فائق الدقة» transition hyperfine حين ينجم عن تغير التفاعل المغنطيسي بين نواة الذرة وغمامتها الإلكترونية، ولا يمكن أن يحدث مثل هذا الانتقال إلا إذا كان للنواة عزم مغنطيسي غير منعدم.

وبدأ
استخدام معايير التردد الذرية على أساس السيزيوم قُبيل عام 1960. ففي عام
1958 قُدِّر تردُّد الانتقال لهذا العنصر مقارنة بالثانية بأنه يساوي 9192631770±20هرتز،
وأوصت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس باستخدام هذه القيمة بغية توفير
الانسجام في قياس الزمن في الفيزياء. ولم يُعتمد التعريف الذري للثانية
رسمياً إلا عام 1967، حين جرى التوثُّق على نحو قاطع من أفضلية معيار
التردد على أساس السيزيوم في تعريف وحدة الزمن على كل ما عداه.

المعيار الذري للتردد على أساس السيزيوم

توجد
عدة معايير مختبرية دقيقة يجري تحسينها باستمرار، كما توجد مئات المعايير
التجارية التي تتمتع بالقدر نفسه من الدقة تقريباً، وكلها تعمل وفق المبدأ
التالي: تُرسل حزمة من ذرات السيزيوم في الخلاء حيث تحرفها حقول مغنطيسية
انحرافين يجري في كل منهما فصل الذرات التي تكون موجودة في إحدى الحالتين
المختلفتين للانتقال الفائق الدقة إلى الحالة الأساسية (أي إلى الحالة
الدنيا التي طاقتها أخفض ما يمكن، وهي أكثر حالات الغمامة الإلكترونية
استقراراً). ومن جهة أخرى يولَّد بوساطة هزاز من الكوارتز ومولد ترددات
إشعاع كهرمغنطيسي تردّده هو تردّد انتقال السيزيوم نفسه. ويؤثَّر بهذا
الإشعاع في حزمة ذرات السيزيوم التي بين الحارقين المغنطيسيين. فإذا تطابق
تردّد الإشعاع تماماً مع تردّد الانتقال، حدث هذا الانتقال بالتجاوب résonance
على نحو يمكن كشفه بعد الانحراف المغنطيسي الثاني. وهكذا يتم ضبط تردّد
هزَّاز الكوارتز بطريقة يصير معها هذا التجاوب أعظمياً. ويمكن القول إنه
يستفاد من ذرّة السيزيوم للتحكم في التطابق بين تردّد هزّاز الكوارتز
وتردّد الانتقال الذي يُعرِّف الثانية. ويجري هذا التطابق في الأجهزة
التجارية آلياً إذ يجري الحفاظ على أن يكون عمل هزاز الكوارتز دقيقاً
دائماً، فيؤلف بذلك ميقاتية تكاد تكون في غاية الكمال. وتكون الدقة هنا
أفضل مئة مرة مقارنة بالثانية التقويمية، وهذه أفضل عشرة آلاف مرة مقارنة
بالثانية الشمسية. وفضلاً على ذلك، فالثانية المضبوطة جاهزة ولا يحتاج
الحصول عليها إلى أشهر أو سنين من الرصد الفلكي والحسابات بل يجري ذلك في
الحال.

التوقيت الذري الدولي والتوقيت العالمي المتوافق

يتألف سلم ذري للتوقيت بتراكم متوالية مستمرة من الثواني الذرية، وبدئ بهذا منذ عام 1955. وقد طلب المؤتمر العام للمكتب الدولي للأوزان والمقاييس في عام 1971 إنشاء سلم توقيت ذري دولي TAI
أنجزه المكتب الدولي للساعة الكائن في مرصد باريس على أساس مؤشرات
الميقاتيات الذرية التي تعمل في مختلف المؤسسات في العالم. ويجري نقل
المعلومات إما بالراديوم أو بنقل الميقاتيات نفسها. إن التوقيت الذري
الدولي هو ما يستخدم في العلوم، لكن استخدامه لا يلائم
تماماً الحياة العادية التي عليها أن تستمر في انتظامها معتمدة على الشمس
والنجوم. وهذا ينطبق بوجه خاص على الملاحين الذين يضبطون مواقعهم برصد
النجوم واستخدام ميقاتية تمكنهم من تعيين الوضع الزاوي للقبة السماوية التي
تدور ظاهرياً نتيجة لدوران الأرض. فالملاحون يرغبون في الاحتفاظ بالثانية الشمسية وبالتوقيت العالمي TU المقابل لها، وذلك لأن التوقيت العالمي يضبطه دوران الأرض، في حين يبتعد التوقيت الذري الدولي TAI تدريجياً عن التوقيت العالمي TU
بسبب تباطؤ دوران الأرض. ولذلك تم الاتفاق على ضبط الإشارات التي تعين
الوقت والساعة لكل استخدامات الحياة العادية وفق سلم يدعى التوقيت العالمي
المتوافق (Temps Universel Coordonnè) TUC. ويجري الحصول على هذا التوقيت بإضافة ثانية كبيسة إلى التوقيت الذري الدولي TAI
في الدقيقة الأخيرة من شهرٍ ما، بحيث يجري الحفاظ على توافق يقارب 0.95 من
الثانية. فالوقت الذي تشير إليه الميقاتيات العادية هو إذن التوقيت
العالمي المتوافق TUC
المعدَّل طبعاً حسب المنطقة الزمنية للموقع الجغرافي، أي إن للثانية
بالضبط المدة نفسها كما للثانية الذرية، ودقات ثواني التوقيت العالمي
المتوافق TUC والتوقيت الذري الدولي TAI
تتطابق، وما يختلف هو ترقيم الثواني وحسب. فعلى سبيل المثال، كانت اللحظة:
الساعة صفر والدقيقة صفر والثانية 12 من اليوم الأول من كانون الثاني
(يناير) لعام 1973 حسب التوقيت الذري الدولي TAI، تقابل، حسب التوقيت العالمي المتوافق TUC:
الساعة صفر والدقيقة صفر والثانية صفر. أما في الأشهر الستة السابقة لذلك
التاريخ فكان الفرق بين التوقيتين 11 ثانية بدلاً من 12. والدقيقة الأخيرة
من شهر كانون الأول (ديسمبر) 1972 احتوت على 61 ثانية في التوقيت العالمي
المتوافق TUC.

يقوم المكتب الدولي للساعة بتجميع الأرصاد الفلكية، ويضع التوقيت العالمي TU
النهائي بناء على حساب المتوسطات، ويُقرِّر الثواني الكبيسة ويُعلن عنها
مسبقاً، ويجمع مؤشرات الميقاتيات الذرية ويضع التوقيت الذري الدولي TAI، وبذلك يضع التوقيت العالمي المتوافق TUC أيضاً.