১.৩: সময়ের মানদণ্ড

The Standard of Time

মনেকরো, তোমার বন্ধু বললো বিকেল পাঁচটায় তার বাড়িতে যেতে। তুমি ঠিক পাঁচটায় গিয়ে হাজির হলে। এবার সে তোমাকে জিজ্ঞেস করলো, পৃথিবী থেকে তার বাড়িতে আসতে তোমার কতক্ষণ লেগেছে? তুমি বললে ২০ মিনিট।

একটু খেয়াল করো, প্রথমবার তুমি কখন একটা ঘটনা ঘটবে সেটা বলেছো। আর দ্বিতীয়বার কতক্ষণ ধরে ঘটনাটা ঘটেছে সেটা বলছো। সময় মাপতে গেলে এই দুই ধরনের প্রশ্নই আমাদের সামনে আসে।

পদার্থবিজ্ঞানের পরীক্ষায়ও একই ব্যাপার। কখন আলোকরশ্মি যন্ত্রে এসে পড়লো এবং কতক্ষণ ধরে বিকিরণ চললো-দুটো জানার জন্যই সময়ের একটা নির্ভরযোগ্য মানদণ্ড দরকার।

সময় মাপবো কীভাবে?

ধরো, তুমি একটা দোলক ঘড়ি বানালে। দোলকটা একবার ডানে, একবার বামে যাচ্ছে। তুমি দোলনের সংখ্যা গুনে সময় হিসাব করতে পারো। কারণ দোলকটি প্রায় নির্দিষ্ট সময় পরপর একই ঘটনা ঘটায়।

শুধু দোলকই নয়, স্প্রিংয়ে ঝোলানো বস্তুর ওঠানামা, কোয়ার্টজ ক্রিস্টালের কম্পন কিংবা পৃথিবীর নিজের অক্ষে ঘূর্ণন-এগুলো সবই নিয়মিত পুনরাবৃত্তি ঘটে এমন ঘটনার উদাহরণ। এদের বলে পর্যায়বৃত্ত ঘটনা (Periodic Phenomenon)।

প্রাচীনকাল থেকে মানুষ পৃথিবীর ঘূর্ণনের সাহায্যে দিন গুনেছে। একসময় গড় সৌরদিনকে $86{,}400$টি সমান ভাগে ভাগ করে এক ভাগকে এক সেকেন্ড ধরা হতো। অর্থাৎ,

কিন্তু এখানে একটা ছোট্ট ঝামেলা আছে। পৃথিবী আমাদের ঘড়ির কাঁটার মতো একেবারে একই হারে ঘোরে না। বিভিন্ন কারণে তার ঘূর্ণনের হার সামান্য বদলায়। ফলে দিনের দৈর্ঘ্যেও কয়েক মিলিসেকেন্ডের পার্থক্য হতে পারে। তুমি হয়তো দৈনন্দিন জীবনে সেটা কখনও টের পাবে না, কিন্তু খুব সূক্ষ্ম বৈজ্ঞানিক পরীক্ষায় এইটুকু পরিবর্তনও বড় সমস্যা তৈরি করতে পারে।

মনে রেখো

সময় পরিমাপ করার জন্য এমন একটি পুনরাবৃত্ত ঘটনা বেছে নিতে হয়, যার প্রত্যেকটি পর্যায়ের সময়কাল অত্যন্ত স্থিতিশীল।

কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল থেকে Atomic Clock

এবার ধরো, দোলকের বদলে তুমি ছোট্ট একটা Quartz Crystal ব্যবহার করলে। ক্রিস্টালটাতে বৈদ্যুতিক সংকেত দিলে এটি অত্যন্ত নিয়মিতভাবে কম্পিত হয়। কম্পনের সংখ্যা গণনা করে কোয়ার্টজ ঘড়ি সময় দেখায়।

মূল বইয়ে উল্লেখিত খুব ভালো কোয়ার্টজ ঘড়িগুলো এমন ছিল যে প্রায় দুই লক্ষ বছরে এক সেকেন্ডের মতো সময়ের গড়মিল হতে পারতো। শুনতে তো অসম্ভব নির্ভুল মনে হচ্ছে! কিন্তু আধুনিক বিজ্ঞান, স্যাটেলাইট ও যোগাযোগব্যবস্থায় আরও নির্ভুল সময় প্রয়োজন।

তাই বিজ্ঞানীরা এবার পরমাণুর সাহায্য নিলেন। ১৯৬৭ সালে সেকেন্ডের আন্তর্জাতিক সংজ্ঞা নির্ধারণ করা হলো সিজিয়াম-১৩৩ পরমাণুর দুটি নির্দিষ্ট শক্তিস্তরের পরিবর্তনের সঙ্গে সম্পর্কিত বিকিরণের কম্পাঙ্কের ভিত্তিতে।

এক সেকেন্ডের সংজ্ঞা

সিজিয়াম-১৩৩ পরমাণুর নির্দিষ্ট রূপান্তরের সঙ্গে সম্পর্কিত বিকিরণের ৯,১৯২,৬৩১,৭৭০টি পর্যায়ের সময়কাল হলো এক সেকেন্ড।

সংখ্যাটা দেখে ভয় পেয়ো না। খুব সহজভাবে বললে, পরমাণুর সেই নির্দিষ্ট কম্পাঙ্কের বিকিরণ যতবার ওঠানামা করলে এক সেকেন্ড হয়, বিজ্ঞানীরা সেই সংখ্যাটাই নির্দিষ্ট করে দিয়েছেন।

সিজিয়াম ফাউন্টেন ঘড়ি

বইয়ের ছবি ১-১-এ NIST-এর তৈরি NIST-F1 Cesium Fountain Clock দেখানো হয়েছে। নাম শুনে মনে হতে পারে পানি দিয়ে ঘড়ি বানানো হয়েছে। আসলে তা নয়!

এই যন্ত্রে খুব ধীরে চলা সিজিয়াম পরমাণুগুলোকে ওপরের দিকে ছুঁড়ে দেওয়া হয়। পরমাণুগুলো প্রায় এক মিটার ওপরে উঠে মহাকর্ষের কারণে আবার নিচে নেমে আসে। পুরো ব্যাপারটাতে প্রায় এক সেকেন্ড সময় লাগে। পানির ফোয়ারার মতো ওপরে উঠে আবার ফিরে আসে বলে নাম দেওয়া হয়েছে Fountain Clock।

পরমাণুগুলো এত ধীরে চলে যে তাদের বিকিরণের কম্পাঙ্ক খুব সূক্ষ্মভাবে পর্যবেক্ষণ করা যায়। মূল বইয়ের সময়ের হিসাবে এই ঘড়ির নির্ভুলতা ছিল প্রায় দুই কোটি বছরে এক সেকেন্ড গড়মিলের সমতুল্য।

এত নির্ভুল ঘড়ি দিয়ে কী হবে, ভাবছো? তোমার ফোনের GPS-এ অবস্থান নির্ণয়ের জন্যও স্যাটেলাইটের সময় খুব নিখুঁতভাবে মিলতে হয়। সেজন্য স্যাটেলাইটে পারমাণবিক ঘড়ি ব্যবহার করা হয়। বইয়ে বহনযোগ্য সিজিয়াম ঘড়ি এবং রেডিও সংকেত দিয়ে সময় ঠিক করা ঘড়ির কথাও বলা আছে।

বইয়ের ছবি ১-২-এ ১৯৮০ থেকে ১৯৮৩ সালের মধ্যে পৃথিবীর দিনের দৈর্ঘ্যবিস্তারিত জানতে দেখো:দৈর্ঘ্যের মানদণ্ড কত মিলিসেকেন্ড এদিক-ওদিক হয়েছে, সেটা দেখানো হয়েছে। ছবি ১-৩-এ আরও একটা তুলনা আছে-১৬৬৫ সালে হাইগেনসের দোলকঘড়ি থেকে শুরু করে ধাপে ধাপে কোয়ার্টজ ও সিজিয়াম ঘড়ির উন্নতি। আগে কয়েক ঘণ্টায় এক সেকেন্ড ভুল হতে পারতো, অথচ পরে এমন ঘড়ি তৈরি হলো যার সমপরিমাণ ভুল হতে লক্ষ লক্ষ বছর লাগতে পারে।

যুক্তরাষ্ট্রে সময়ের জাতীয় মানদণ্ড রক্ষার কাজে U.S. Naval Observatory (USNO)-ও যুক্ত। মূল বইয়ে তাদের একাধিক সিজিয়াম ঘড়ি ও হাইড্রোজেন মেজার দিয়ে তৈরি Master Clock-এর কথা বলা হয়েছে।

খুব বড় আর খুব ছোট সময়

এখন একটু সময়ের পরিসরটা চিন্তা করো। একটা হৃদস্পন্দনের ব্যবধান এক সেকেন্ডের কাছাকাছি। আবার কোনো অণুর ঘূর্ণনকাল তার চেয়ে লক্ষ-কোটি গুণ ছোট। অন্যদিকে একটা নক্ষত্র বা মহাবিশ্বের বয়স কয়েকশ কোটি বছর! সবগুলোকেই একই সেকেন্ড এককে প্রকাশ করতে পারি।

নিচে মূল বইয়ের সারণি ১-৩-এর আনুমানিক মানগুলো দেওয়া হলো। এগুলোর মধ্যে কিছু হিসাব বইটি লেখার সময়কার; বর্তমান সর্বশেষ পরিমাপবিস্তারিত জানতে দেখো:ভৌত রাশি, মানদণ্ড এবং একক হিসেবে ব্যবহার করা ঠিক হবে না।

ভাবার বিষয়

ঘড়ির কাঁটা একবার ঘুরে আসার জন্য আমরা সময় হিসাব করি। কিন্তু পরমাণুর কম্পনের সাহায্যে সময় হিসাব করলে সাধারণ দোলকঘড়ির চেয়ে অনেক ছোট সময়ের ব্যবধানও নির্ভুলভাবে বোঝা সম্ভব।

সময় কীভাবে সংজ্ঞায়িত হয় সেটা তো জানলে। এবার এই সেকেন্ডের সাহায্যে কীভাবে এক মিটার নির্ধারণ করা হয়, সেটা দেখা যাক।