सूर्यघड़ी से लेकर परमाणु घड़ियों तक: इतिहास में समय-निर्धारण का विकास

संदर्भ

समय की गणना एक अभ्यास के रूप में सदियों से सूर्य, चंद्रमा, पानी आदि जैसी प्राकृतिक शक्तियों के अवलोकन से लेकर वर्तमान समय में परमाणुओं और उनके नाभिकों को मापने तक विकसित हुई है। उन्नत प्रौद्योगिकी के आगमन से अगली पीढ़ी के उपकरणों यानी परमाणु घड़ियों का विकास होता है। 

• कार्यात्मक परमाणु घड़ियों के निर्माण में तीन प्रमुख विकास बताए गए हैं:
  • थोरियम-229 नाभिक को एक विशिष्ट उच्च ऊर्जा अवस्था तक उत्प्रेरित करने के लिए एक लेजर 
  • थोरियम-229 परमाणु घड़ी को ऑप्टिकल घड़ी से जोड़ने का एक तरीका।
  • प्रभावी ऊर्जा का सटीक अनुमान। नाभिक के अप्रभावी उत्सर्जन की आवृत्ति 2,020 टेराहर्ट्ज है, जो अति-उच्च परिशुद्धता का संकेत देती है।  

घड़ियों के बारे में

• घड़ियाँ ऐसे उपकरण हैं, जो समय के बीतने को मापते हैं और उसे प्रदर्शित करते हैं। 
• भाग: घड़ियों के आधुनिक संस्करण में एक शक्ति स्रोत, अनुनादक और काउंटर होते हैं। 
• एक घड़ी एक निश्चित आवृत्ति पर बार-बार घटित होने वाली किसी घटना पर नजर रखकर बीते समय की मात्रा को मापती है। 
  • उदाहरण
    • प्राचीन काल की सूर्य घड़ियाँ सूर्य की रोशनी के विपरीत बदलती लंबाई की छाया डालकर समय बताती थीं।
    • जल घड़ी: पानी धीरे-धीरे बर्तन को भरता है तथा अलग-अलग समय पर इसका स्तर यह बताता है कि कितना समय बीत चुका है। 
      • जल घड़ियों में अतिरिक्त जल टैंक, गियर व्हील, घिरनियाँ और यहाँ तक ​​कि संगीत वाद्ययंत्र भी लगाए गए थे, जिससे वे व्यावहारिक रूप से अल्पविकसित एनालॉग कंप्यूटरों का विकास कर रहे थे। 
    • आधुनिक घड़ियाँ: इनमें क्वार्ट्ज क्रिस्टल का उपयोग होता है।

आधुनिक घड़ियाँ: यांत्रिक घड़ियों का विकास

• वर्ज एस्केपमेंट मैकेनिज्म (Verge Escapement Mechanism) का आविष्कार: यह 13वीं शताब्दी में आविष्कृत समय-निर्धारण में पहली बड़ी क्रांति थी, जिसने आधुनिक घड़ियों के लिए मार्ग प्रशस्त किया तथा यांत्रिक घड़ियों के विकास के लिए द्वार खोले। 
• प्रक्रिया: यहाँ मूल तत्त्व एक गियर था, जो यांत्रिक व्यवस्था के संयोजन के माध्यम से केवल निश्चित अंतराल में ही चल सकता था।
  • एस्केप व्हील (Escape Wheel): यदि पहला गियर गोलाकार होता था तो उसे एस्केप व्हील कहा जाता था। 
  • बैलेंस व्हील: दूसरा गियर, जिसे बैलेंस व्हील कहा जाता है, पहले गियर के साथ इस प्रकार जुड़ा होता था कि जब एस्केप व्हील एक बार में एक गियर दाँत आगे बढ़ता था, तो बैलेंस व्हील आगे-पीछे दोलन करता था। 
  • यह दोलन घड़ी के मुख पर घड़ी की ‘सुइयों’ को तब तक चलाता रहेगा जब तक कि इसे चलते रहने के लिए संतुलन चक्र पर कुछ बल लगाया जाता रहेगा। 
• स्प्रिंग चालित घड़ियों का आविष्कार
• • कुंडलित स्प्रिंग का प्रयोग: घड़ी निर्माताओं ने 15वीं और 18वीं शताब्दियों के बीच पूर्ववर्ती यांत्रिक उपकरणों का विकास और सुधार किया, जिसमें उन्होंने संतुलन चक्र पर बल लगाने वाले निलंबित भार को कुंडलित स्प्रिंग से प्रतिस्थापित किया। 
    • बैलेंस स्प्रिंग हर ‘टिक’ गति के बाद बैलेंस व्हील को दूसरी तरफ ‘टॉक’ गति से पहले अपनी तटस्थ स्थिति में वापस ले आता था। नतीजतन, घड़ियाँ एक दिन में कुछ मिनट खो देती थीं, जबकि पहले एक दिन में कुछ घंटे खोती थीं। 
  • फ्यूजी जैसे नए तंत्रों का विकास यह सुनिश्चित करने के लिए किया गया कि स्प्रिंग हमेशा एक समान बल प्रदान करे तथा स्प्रिंग के खुलने पर भी यह गलत न हो जाए। 
    • बैलेंस व्हील के साथ बैलेंस स्प्रिंग को जोड़ने के विचार से पॉकेट घड़ियों का भी आगमन हुआ
• पेंडुलम घड़ी (Pendulum Clock): इस घड़ी का आविष्कार 17वीं शताब्दी के मध्य में डच आविष्कारक क्रिस्टियान ह्यूजेंस द्वारा किया गया था। 
  • घड़ी में एस्केपमेंट मैकेनिज्म का भी इस्तेमाल किया गया था, ह्यूजेंस ने पेंडुलम के झूलों को बीते हुए समय में बदलने का सूत्र तैयार करके महत्त्वपूर्ण योगदान दिया था। 
• समुद्री क्रोनोमीटर (Marine Chronometer): इसे 18वीं शताब्दी में 1761 ई. में जॉन हैरिसन नामक एक बढ़ई द्वारा विकसित किया गया था तथा देशांतर पुरस्कार के लिए ब्रिटिश सरकार को सौंप दिया गया था। 
  • आवश्यकता: जहाज पर समय मापने के लिए। जहाज को पृथ्वी पर अपना स्थान निर्धारित करने के लिए अक्षांश, देशांतर और ऊँचाई को सटीक रूप से जानने की आवश्यकता होती है। 
  • देशांतर को मापने के लिए प्रत्येक जहाज पर एक सटीक घड़ी की आवश्यकता होती है। मरीन क्रोनोमीटर में ऐसी व्यवस्था थी, जिससे यह सुनिश्चित किया जा सके कि जहाज के हिलने, गुरुत्वाकर्षण बल और तापमान में कुछ बदलावों से घड़ी का संचालन प्रभावित न हो। 
• विद्युत घड़ियाँ: इनका विकास 19वीं शताब्दी में हुआ था, जिनका ऊर्जा स्रोत सस्पेंशन भार या स्प्रिंग के बजाय बैटरी अथवा विद्युत मोटर था, हालाँकि पूर्व और उत्तर को मौजूदा डिजाइनों की दक्षता में सुधार करने के लिए जोड़ा गया था। 

20वीं सदी की घड़ियाँ

इसने दो महत्त्वपूर्ण प्रकार की घड़ियों के विकास की शुरुआत की, अर्थात् क्वार्ट्ज घड़ी और परमाणु घड़ी, जिनका मूलभूत सेटअप एक जैसा था, अर्थात् इसमें एक शक्ति स्रोत, एक अनुनादक और एक काउंटर शामिल था।

• क्वार्ट्ज घड़ियाँ (Quartz Clocks): क्वार्ट्ज घड़ियाँ बनाना सस्ता और चलाने में आसान है तथा इनके आविष्कार के कारण 20वीं सदी के मध्य से घड़ियाँ और दीवार घड़ियाँ बहुत आम हो गईं। 
  • क्वार्ट्ज क्रिस्टल (Quartz Crystal): यहाँ अनुनादक एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल है। बिजली का स्रोत क्वार्ट्ज क्रिस्टल को विद्युत संकेत भेजता है, जिसकी क्रिस्टल संरचना पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण दोलन करती है। 
  • सिग्नल की ऊर्जा को क्रिस्टल को उसकी अनुनाद आवृत्ति पर दोलन करने के लिए ट्यून किया जा सकता है, जिससे यह अनुनादक बन जाता है। काउंटर आवधिक दोलनों की संख्या गिनता है और उन्हें सेकंड में परिवर्तित करता है (क्रिस्टल की अवधि के आधार पर)।
  • एक डिजिटल डिस्प्ले काउंटर के परिणाम दिखाता है। 
• परमाणु घड़ियाँ (Atomic Clocks): यहाँ अनुनादक एक ही समस्थानिक के परमाणुओं का समूह है और शक्ति स्रोत एक लेजर है। 
• लेजर परमाणु को उसकी निम्न ऊर्जा अवस्था से विशिष्ट उच्च ऊर्जा अवस्था में जाने के लिए एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा प्रदान करता है। जब परमाणु वापस नीचे आता है तो वह एक निश्चित आवृत्ति के साथ विकिरण छोड़ता है। 
  • उदाहरण: सीजियम परमाणु घड़ी (Caesium atomic clock) ने अनुनादक के रूप में सीजियम-133 परमाणु का उपयोग किया। ये परमाणु उत्तेजित और वि-उत्तेजित होने पर 9,192,631,770 हर्ट्ज आवृत्ति का विकिरण छोड़ते हैं। 
    • जब यह विकिरण की 9,192,631,770 पूर्ण तरंगों का पता लगाता है तो काउंटर एक सेकंड बीत जाने को रिकॉर्ड करता है। 
  • समय मानक: परमाणु घड़ियों को उनके अनुनादक द्वारा पहचाना जाता है और प्रत्येक ऐसी घड़ी को समय मानक कहा जाता है।
    • उदाहरण: भारत का समय मानक राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला, नई दिल्ली में स्थित सीजियम परमाणु घड़ी है, जो भारतीय मानक समय को बनाए रखती है।
  • रेंज: सीजियम परमाणु घड़ी में उत्सर्जित आवृत्ति माइक्रोवेव रेंज (गीगाहर्ट्ज) में होती है और परिणामस्वरूप घड़ी लगभग 20 मिलियन वर्षों में केवल एक बार एक सेकंड खोती या प्राप्त करती है।

भविष्य की घड़ियाँ

• अगली पीढ़ी की ऑप्टिकल घड़ियाँ (Next -Generation Optical Clocks): अगली पीढ़ी की घड़ियों में विकिरण ऑप्टिकल रेंज (सैकड़ों टेराहर्ट्ज) में होता है। 
  • ये उपकरण अनुनादकों के रूप में स्ट्रोंटियम (Strontium) या यटरबियम (Ytterbium) परमाणुओं का उपयोग करते हैं और 10 अरब से अधिक वर्षों में एक सेकंड भी नहीं चूकते। 
• परमाणु घड़ियाँ (Nuclear Clocks): उनके अनुनादक पूरे परमाणु के बजाय विशिष्ट परमाणुओं के नाभिक होते हैं। परमाणु घड़ियों को यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता होती है कि अनुनादक परमाणु अन्य स्रोतों से ऊर्जा से प्रभावित न हों, जैसे कि एक विक्षेपित विद्युत चुंबकीय क्षेत्र। 
  • हालाँकि, परमाणु का नाभिक प्रत्येक परमाणु के भीतर स्थित होता है, जो इलेक्ट्रॉनों से घिरा होता है और इस प्रकार यह अधिक स्थिर अनुनादक हो सकता है।

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