Która godzina?

Która godzina?

Problem określania czasu towarzyszy nam już od dawna. Pięć tysięcy lat temu plemiona epoki kamiennej wzniosły w południowej Anglii Stonehenge, olbrzymie obserwatorium astronomiczne do sygnalizowania rozpoczynającego się nowego roku. Dzisiejsze zegary atomowe wskazują czas z dokładnością do jednej bilionowej sekundy.

Z naukowego punktu widzenia zadanie pomiaru czasu sprowadza się do bardzo prostej czynności: znalezienia w przyrodzie zjawiska powtarzającego się regularnie i użycia go w charakterze zegara. Pierwszym takim zjawiskiem był ruch Ziemi – jej krążenie po orbicie wokół Słońca (co określa długość roku) i jej obrót wokół osi (co definiuje długość doby). Następnie miejsce niewygodnej Ziemi zajęły ruchy wahadła i zegary ery kolei żelaznej wskazywały czas z dokładnością do ułamka sekundy na rok. Jeszcze większą dokładność umożliwiły ostatnio wibracje kryształów kwarcu.

Postęp w jakości wzorców – od obrotu Ziemi do drgającego kwarcu – ilustruje ważną prawdę o czasie. Zdarzenia, wydające się według starego wzorca powtarzalne i regularne, często przy szczegółowym zbadaniu za pomocą nowego wzorca okazują się nierówne i nieregularne. Obrót Ziemi jest w rzeczywistości bardzo kapryśny. Gdy wieje wiatr zachodni, Ziemia cofa się na wschód – co w rezultacie może zmienić długość doby o dziesiątki tysięcznych sekundy. Pływy i trzęsienia ziemi też mogą oddziaływać na długość dnia.

Jednym ze sposobów wyznaczania dokładności wzorca czasu jest określenie miejsca dziesiętnego, na którym nie możemy już mu ufać. Na przykład zegarek spóźniający się o jedną sekundę na rok byłby niepewny na siódmym miejscu po przecinku. Przy tej metodzie liczenia najlepszym zegarom wahadłowym można ufać do szóstego miejsca po przecinku, a najlepszym zegarom kwarcowym – do około dziewiątego. Żadne z nich nie zbliżają się nawet do dokładności wymaganej przez współczesną technikę.

I tu dochodzimy do zegara atomowego. Pod koniec lat 40. fizyk Norman Ramsey (późniejszy laureat Nagrody Nobla) wymyślił sposób bardzo dokładnego pomiaru obrotu elektronów w atomie. W wyniku tego powstał zegar atomowy, wzorzec czasu stosowany dziś na całym świecie. W zegarach tych wiązki atomów przechodzą przez szereg magnesów i wnęk rezonansowych, pozwalając na niezwykle dokładne pomiary częstotliwości związanych z ruchem elektronów. Od 1967 roku sekunda definiowana jest jako czas potrzebny na wykonanie 9192631 770 powtórzeń określonego cyklu w atomie cezu. Pożytek z użycia elektronu jako wzorca czasu jest oczywisty. Na elektrony nie działają przypływy i odpływy ani nie wieją na nich wiatry. Każdy elektron w dowolnym atomie cezu we Wszechświecie zachowuje się w ten sam sposób, tak więc wzorzec cezowy jest zarówno uniwersalny, jak i odtwarzalny. Zegary atomowe są dokładne do trzynastu miejsc po przecinku.

Zegary atomowe ustalające czas w Stanach Zjednoczonych znajdują się w Naval Observatory (Obserwatorium Marynarki Wojennej) w Waszyngtonie, a zegary wtórne w filiach National Institutes of Standards and Technology w stanach Maryland i Kolorado. Zegary te są częścią sieci zegarów atomowych w urzędach normalizacyjnych na całym świecie. Śledzą one wspólnie nierówno-mierności obrotu Ziemi. Co jakiś czas „głosują” nad decyzją, czy obrót Ziemi spowolnił się na tyle, aby można było do normalnego wzorca czasu wprowadzić „sekundę przestępną”. Zdarza się to mniej więcej raz do roku, a ostatnia „sekunda przestępna” wprowadzona została 30 czerwca 1994 roku o godzinie 24.00 czasu uniwersalnego (od tego czasu było już kilka takich poprawek).

Można pomyśleć, że trzynaście miejsc po przecinku powinno dawać wystarczającą dokładność, by zadowolić każdego, lecz w rzeczywistości jest już w toku kilka prób poprawy dokładności. Jedna z nich wykorzystuje nową technikę, umożliwiającą złapanie pojedynczych atomów (lub niewielkich ich grup) i izolowanie ich od otoczenia przez długi czas (rekord wynosi kilka miesięcy). Po wyizolowaniu w ten sposób grupy atomów, lasery mogą spowolnić ich ruchy w takim stopniu, by miały one mniejszy wpływ na światło, które emitują lub absorbują. Urządzenia takie osiągnęły już, przez krótki czas, dokładność trzynastu miejsc po przecinku i powinny w zasadzie osiągnąć piętnaście.

Sugerowano także możliwość użycia do ustanowienia wzorca czasu fal radiowych emitowanych przez martwe gwiazdy zwane pulsarami. Pulsary obracają się w bardzo szybkim tempie (aż do tysięcy razy na sekundę) i pod pewnym kątem do swej osi rotacji emitują wiązki promieniowania radiowego. Propozycja polega na użyciu w charakterze wzorca czasu powtarzalnych sygnałów od kilku stabilnych pulsarów. Wnioskodawcy utrzymują, że potencjalna dokładność wyniesie piętnaście miejsc po przecinku, lecz do tej pory nie uczyniono w tej sprawie właściwie nic.

Najważniejszym zastosowaniem dokładnego pomiaru czasu jest Globalny System Lokalizacji, składający się z wielu satelitów wyposażonych w zegary atomowe. Odbierając sygnały przesyłane co najmniej przez cztery satelity oraz znając dokładny czas wysłania sygnałów, obserwator może zlokalizować swoją pozycję na Ziemi z dokładnością do kilkudziesięciu centymetrów. Możliwość ta została już wykorzystana podczas lądowania samolotów bez pomocy pilota, a pewnego dnia może być zastosowana do prowadzenia samochodu bez kierowcy po autostradach.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *