Często powtarzanym hasłem jest stwierdzenie, że “zegary atomowe są niesamowicie dokładne”. Zastanawialiście się może kiedyś nad tym, czym taki zegar jest, jak działa i skąd jego dokładność? No to postaram się wyjaśnić pokrótce, w czym rzecz i jaki związek z tym wszystkim ma atomowe pianino.

Tak, pianino. Brzmi to dziwnie, ale gdy rozważyć, czym jest sam zegar, to okaże się dość oczywiste. No bo co robi zegar? Jeśli powiemy, że mierzy upływ czasu, to można się z tym zgodzić, choć ja powiedziałbym, że zlicza wystąpienia pewnego cyklicznie powtarzającego się zjawiska. Przekładając na to, co każdy może zobaczyć na własne oczy: najbardziej podstawowym modelem zegara jest nasza planeta. Ponieważ nie jest płaska i obraca się wokół własnej osi z mniej więcej stałą prędkością, a na niebie mamy punkt odniesienia w postaci Słońca, to regularnie będziemy oglądać jego pozorną wędrówkę i zauważymy powtarzający się cykl składający się z pory okresu, gdy jest jasno, i takiego, gdy jest ciemno. Nazywamy go dobą i używamy go do umiejscawiania zjawisk w czasie oraz planowania – bo chyba każdy ma coś do załatwienia jutro względnie umawiał się z kimś na coś tydzień temu.

Problemem takiego zegara jest to, że pomiar jest niezbyt wygodny i mało precyzyjny. Wyobrażacie sobie rozkład jazdy pociągów podawany w dobach? Pociąg odjeżdża jutro – ale kiedy dokładnie? Szybko zaczęto dobę dzielić na bardziej praktyczne odcinki, z których największą karierę zrobiły godziny, minuty i sekundy. Choć ja nie mogę przeboleć, że pory nocnej nie dzielimy już na straże i czuwania. Podział dnia i nocy na dwanaście części był znany już w starożytnych Chinach, Sumerze i Egipcie, skąd przedostał się do Grecji i Rzymu. Podział samej godziny na sześćdziesiąt minut zaś, to trochę jak w przypadku powszechnie stosowanego systemu dziesiętnego, pozostałość z dawnych czasów. Konkretnie – z Sumeru. Liczbę 60 łatwo dzielić na równe części na wiele sposobów, np. przez 2, 3, 6, 12, 15, 30, co daje sporą wygodę w wielu zastosowaniach, jak podział pieniędzy, żywności, czasu. Od Sumerów system ten przyjęli i udoskonalili Babilończycy, a później Rzymianie; stąd mamy nazwę owej 1/60 części godziny tj. minutę. Oprócz nazwania tej części godziny “minuta prima” czyli “pierwsza mała[cząstka]” wprowadzili również pojęcie drugiej minuty, będącej 1/60 częścią pierwszej minuty, czyli “minuta secunda”. Myślę że dalszych wyjaśnień co do owej drugiej minuty nie trzeba.

Mamy więc godzinę, minutę i sekundę i poważny problem co do tego, jak to mierzyć. Niby można przy pomocy patyka wbitego w ziemię i oznaczania padającego cienia, ale słabość takiego pomiaru jest jasna chyba dla każdego. Dni mają różną długość w zależności od pory roku oraz od szerokości geograficznej; tym samym okres czasu “od południa do południa” nie będzie miał zawsze tej samej długości. Dla samego czasu nie ma to absolutnie żadnego znaczenia, bo godzina ma sześćdziesiąt minut niezależnie od pory roku. Oczywiście można wprowadzać poprawki i synchronizować zegar słoneczny na różne sposoby. Można na przykład posłużyć się, jak Grecy, świecą, gdzie porównywano czas jej spalania z długością padających cieni w najdłuższy dzień roku. Niestety zegar tego rodzaju ma istotną wadę w postaci jednorazowości użycia. Wadą zegarów wodnych jest niewygoda w transporcie, a umawianie się na spotkanie za “cztery klepsydry” powoduje problem, gdy w mieście jest więcej niż jeden ich producent, a wzory produktów nie są jednolite.

Różnych zegarów na przestrzeni dziejów powstało całkiem sporo, ale ich zasada działania była zawsze taka sama – rejestracja jakiegoś cyklicznie występującego zjawiska i przekazanie tego w przyjaznej dla oka formie, czasem z sygnałem dźwiękowym, a nawet kukułką! Weźmy dla przykładu zegar z kukułką, który najczęściej ma formę szafy zawierającej mechanizm wahadłowy. Ruch wahadła ma tę właściwość że jest cykliczny – od punktu maksymalnego wychylenia przez punkt równowagi do maksymalnego wychylenia po przeciwnej stronie. Dokładnie tak samo jak poruszamy się nad huśtawce. Jest to prosty proces zamiany energii kinetycznej w potencjalną i na odwrót.

Ciekawe obserwacje na ten temat prowadził Galileusz – jeśli wierzyć anegdocie, w kościele – obserwując zawieszone pod sufitem kandelabry, które poruszały się na wietrze hulającym po świątyni. Słuchając z uwagą kazania, porównywał ich ruch z rytmem, w którym biło jego serce. Prowadząc dalsze obserwacje, zauważył, że okres drgań wahadła ma związek z jego długością: jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego tej wielkości. Zresztą skonstruował później jedno z pierwszych urządzeń do pomiaru pulsu, w którym czas był zliczany za pomocą wahadła.

Pierwszy zegar, w którym wykorzystano to zjawisko, skonstruował zaś holenderski uczony C. Huygens już w XVIII wieku. Jego działanie polega, jak zapewne wiecie, na ruchu kół zębatych, które poruszają się w rytm otwierającej i zamykającej się zapadki. Jej pozycja zależy od ruchu wahadła, stąd swojskie “tik – tak”. Zanim wynaleziono baterie i inne źródła energii, takie wahadło było napędzane grawitacyjnie. Ciężarki zawieszone w szafie zegara opadają, przekształcając zmagazynowaną energię potencjalną w kinetyczną. Sam mechanizm był wielokrotnie udoskonalany i przerabiany, gdyż jest wrażliwy na dosłownie wszystko: prędkość ruchu wahadła nie może się zmieniać, a ma na nią wpływ ciśnienie atmosfery, jej skład, związany z tym opór, materiał z którego wykonano wahadło, temperatura, drgania zewnętrzne itp. itd.

Na podobne problemy narażony jest mechanizm, w którym energia pochodzi ze sprężyny. Z czasem zegar “chodzi” coraz wolniej. Tymczasem upływ czasu musimy mierzyć dokładnie, bo bez tego nie działałby internet ani GPS. Jak widać, musiano znaleźć zjawisko, które powtarza się cyklicznie, bez zakłóceń, a najlepiej co 1/86400 część doby (jak definiowano sekundę do 1960). Pewnym rozwiązaniem tej kwestii okazało się sięgnięcie po kryształy kwarcu, które pobudzone prądem elektrycznym drgają z dobrze określoną częstotliwością. Tak długo, jak dostarczamy prąd o odpowiednim napięciu, otrzymujemy dość dokładny pomiar czasu. Zaletą tego mechanizmu jest jego poręczność i niewrażliwość na wiele czynników zewnętrznych. Wadą zaś to, że baterie z czasem się wyczerpują, generując coraz słabsze napięcie, co ma wpływ na drgania kryształu kwarcu. Kolejnym problemem jest to, że nie ma dwóch idealnie takich samych kryształów – zawsze będą się subtelnie różnić. Skoro mowa o kryształach, to może warto zajrzeć poziom niżej, mianowicie na tworzące taki kryształ atomy i rządzące nimi prawa znane pod nazwą mechaniki kwantowej.

Obecnie sekundę definiujemy jako “okres równy 9192631770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami struktury nadsubtelnej stanu podstawowego atomu cezu-133.”

Brzmi to paskudnie i podejrzewam, że dla czytelnika niewiele znaczy. Postarajmy się więc sobie to jakoś zobrazować i odnieść do tego, co wiemy. Mamy tu izotop cezu w stanie podstawowym, czyli mówimy o atomie pierwiastka, w którym elektrony zajmują poziomy energetyczne zgodnie z regułą Hunda i zakazem Pauliego (wspominałem o nim w tekście pt. Zakaz Pauliego!). Mowa też o przejściu pomiędzy poziomami czegoś, co nazwano “strukturą nadsubtelną stanu podstawowego”. Wyjaśnijmy to sobie jakoś bardziej obrazowo. Atom pomimo tego, że jest obojętny elektrycznie jako całość, to nie posiada równomiernie rozłożonego ładunku jego składowych. Można powiedzieć, że jeśli przyjrzeć się dokładniej, to plamy ładunku dodatniego i ujemnego tworzyłyby wzór przypominający umaszczenie krowy. Jest to efekt bardzo słabo widoczny, a jego oddziaływanie jest subtelne, skąd zresztą nazwa.

Atom nawet w stanie podstawowym nie zamiera, a jego składowe pozostają w stanie ciągłych drgań i oscylują. Gdyby porównać atom do pianina, które gra samo z siebie jakąś melodię, to przejście w owej strukturze nadsubtelnej można porównać do delikatnej zmiany tonu wygrywanych dźwięków, tak jakby ktoś delikatnie dotykał strun wewnątrz instrumentu. Podobnie można dotykać składowych atomu przy pomocy zewnętrznego pola magnetycznego, które delikatnie zmienia częstotliwość tych oscylacji, a więc wygrywaną melodię (gdyby atom był pianinem). W zegarach atomowych takie pole pozwala nam precyzyjnie dostroić częstotliwość tych drgań i utrzymać ich stabilność co umożliwia właśnie ten dokładny pomiar czasu.

Wracając do analogii z pianinem. Atom cezu potraktowany w ten sposób zachowuje się jak pianino, które gra sekwencję 9 192 631 770 równych dźwięków w ciągu sekundy. Oczywiście jest to wyłącznie metafora, bo próba zagrania takiego utworu jest po prostu niewykonalna fizycznie. Zawsze, gdy urządzenie rejestrujące doliczy się tej liczby, sygnalizuje to zmianą na wyświetlaczu.

Zegary wykonane w tej technologii są bardzo dokładne i ewentualny błąd najczęściej wynika z niewłaściwego oprogramowania, które nieprawidłowo zlicza owe przejścia, z błędów w konstrukcji samego zegara i koniec końców z tego, że – co odkrył Einstein – czas jest względny i zależy od prędkości, z jaką się poruszamy, lub pola grawitacyjnego, w którym się znajdujemy. Przyczyny tego zjawiska opisuje szczególna teoria względności, o której innym razem. Zjawiska takie jak paradoks dziadka i ukrywane przez korporacje sposoby na podróże w czasie zasługują na osobne omówienie.

Jak więc sprawić, żeby pomiar był jeszcze dokładniejszy? Porównuje się wskazania różnych zegarów, co pozwala krzyżowo wychwycić błędy i podać wskazanie znane pod skrótem UTC, czyli uniwersalny czas koordynowany. By jeszcze bardziej doprecyzować pomiar, można by sięgnąć po zjawisko, które precyzją dorównuje atomowej piosence wygrywanej przez cez. I jest takie coś! Gwiazdy! Bardzo szczególne gwiazdy – pulsary. Więcej z pewnością może wam o nich opowiedzieć Tatiana (@cosmicfavoreq); ja pozwolę sobie tylko powiedzieć że zachowują się jak latarnie, których sygnał pojawia się i zanika z niesamowitą dokładnością w powtarzających się cyklach. Pulsary raczej ciężko zepsuć, znamy ich sporo, więc jeśli tylko podłączyć odpowiednio zaprogramowany komputer do radioteleskopu, to możemy skorzystać z zegara, który stukrotnie poprawił dokładność wskazań zegarów atomowych.

Pierwszy taki zegar na świecie został zainstalowany w Gdańsku – na dachu kościoła zamontowano odpowiednie anteny, które zbierają sygnał “nadawany” przez sześć pulsarów, przekształcany następnie na system sekundowy. Zegar pulsarowy otwiera również możliwość stworzenia systemu nawigacji niezależnego od satelitów GPS, których sygnał można blokować, a same satelity zniszczyć. Blokowanie sygnału pochodzącego z takiej gwiazdy jest mało wykonalne, a zniszczenie takiego obiektu grubo przekracza możliwości nie tylko naszej cywilizacji, ale również tych, które znamy z powieści sci-fi.

Czy z czasem pojawią się jeszcze dokładniejsze sposoby pomiaru czasu? Zapewne tak. Choć mam wrażenie, że sama natura czasu jeszcze długo pozostanie dla nas tajemnicą. Jej rąbka starają się uchylić naukowcy w CERN, bo jak się okazuje, z samym czasem i jego upływem wydaje się mieć związek fenomen masy i bozon Higgsa. Jak wspominałem wcześniej, fizyka ma to do siebie, że im dalej tym prościej, ale za to co raz bardziej dziwnie, bo jakie znaczenie dla czasu ma to, czy mowa o fotonie, czy o bozonie Z? Godzina to godzina, a sekunda to sekunda, i co ma do tego Higgs? O tym oczywiście kolejnym razem.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.