Przyszłość pomiaru czasu - Technologia próżniowa kluczem do konstruowania optycznych zegarów atomowych

Przyszłość pomiaru czasu - Technologia próżniowa kluczem do konstruowania optycznych zegarów atomowych

Komory próżniowe, które zawierają swobodnie poruszające się atomy, są nieodzownym elementem najbardziej precyzyjnych przyrządów do pomiaru czasu znanych ludzkości. W zegarach atomowych najnowszej generacji wzorzec częstotliwości stanowią impulsy lasera. Są niewiarygodnie precyzyjne.
05.1_Atomuhr.jpg

Która godzina? Na to pytanie nie potrafią odpowiedzieć ani fizycy, ani filozofowie. Ale to nie powstrzymuje naukowców przed próbami dzielenia czasu na okresy i mierzenia go z możliwie najwyższą precyzją. W historii pomiaru czasu istotną rolę odegrały takie przyrządy jak zegary słoneczne — stosowane w starożytności — czy znane ze średniowiecza zegary mechaniczne montowane na wieżach. Kluczową innowację techniczną wprowadził w XVII wieku matematyk i fizyk Christian Huygens. Jego zegar z wahadłem pozwolił wreszcie precyzyjnie dzielić czas na godziny, minuty i sekundy. Od tamtej pory powstało wiele przyrządów do pomiaru czasu i sukcesywnie rosła ich dokładność. Dziś wzorzec czasu uniwersalnego stanowią zegary cezowe, które tracą tylko 1 sekundę co 30 milionów lat.

Zegary z atomami cezu: ogólnoświatowy wzorzec

Zegary atomowe nie mają wahadła ani wskazówek. Mimo to, zegary odmierzają czas. Są one oddzielane przez podgrzanie do znacznej temperatury i kierowane przez rurę (komorę), w której panuje wysoka próżnia. Niskie ciśnienie sprawia, że atomy nie zderzają się ze sobą i mogą minąć komorę, zachowując dużą energię. Następnie atomy są wystawiane na promieniowanie mikrofalowe. Pod wpływem właściwej częstotliwości, nazywanej przez fizyków częstotliwością rezonansową, zmienia się stan energetyczny niektórych atomów. Są wzbudzane i zliczane przez detektor.

Na tym etapie częstotliwości mikrofalowe są korygowane tak, aby zmienił się stan energetyczny jak największej liczby atomów cezu. Wymaganą niezawodność zapewnia częstotliwość 9 192 631 770 Hz, która odpowiada ponad dziewięciu miliardom drgań na sekundę. A odwrotnie, potrzeba jednej sekundy, aby uzyskać taki poziom drgań. W ten sposób definiowana jest długość sekundy w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (układzie SI).

Jeszcze większa precyzja dzięki zastosowaniu laserów

Oprócz konwencjonalnych zegarów cezowych w charakterze wzorca czasu uniwersalnego używa się dziś również tzw. fontanny cezowej. W tego typu zegarach atomy cezu są wprowadzane do komory próżniowej w sposób przypominający działanie fontanny, a potem napromieniowywane za pomocą mikrofal. Taki pomiar częstotliwości rezonansowej atomów jest bardziej precyzyjny — według ostrożnych szacunków będą tracić tylko 1 sekundę na przestrzeni 40 milionów lat.

Jeszcze większą dokładnością charakteryzują się optyczne zegary atomowe, w których wykorzystuje się na przykład atomy strontu lub iterbu. Do wzbudzania atomów nie służą tu mikrofale, lecz lasery, również w bardzo wysokiej próżni. Punkt odniesienia przy określaniu długości sekundy stanowi częstotliwość światła towarzysząca zmianie stanu energetycznego pojedynczego atomu. W przypadku tego typu zegarów częstotliwość robocza jest większa, a przejścia elektronowe zachodzą szybciej, w związku z czym czas można podzielić na jeszcze mniejsze elementy składowe. Zegary optyczne „tykają" znacznie szybciej i z większą dokładnością niż zegary cezowe. W przyszłości mogą stać się nowym wzorcem dla czasu uniwersalnego, co sprawi, że będzie trzeba zmienić definicję sekundy jako jednostki w układzie SI. Warto podkreślić, że mimo licznych różnic wszystkie rodzaje zegarów atomowych mają ważną cechę wspólną: komorę próżniową.


Mało kto wie, że zegary atomowe już od dawna wyznaczają rytm każdego naszego dnia — do synchronizacji wskazań używane są one na przykład w zegarach radiowych czy zegarach znajdujących się na dworcach kolejowych. Bez nich systemy GPS nie byłyby w stanie zapewnić niezawodnej nawigacji. Odbiorniki GPS, w tym samochodowe urządzenia nawigacyjne, stale rejestrują informacje o względnym położeniu i czasie, a otrzymują je z satelit GPS. Na podstawie danych pochodzących z trzech satelit odbiornik ustala dokładne położenie, obliczając czas dzielący wysłanie i odebranie sygnału. Błąd o wartości zaledwie jednej milionowej sekundy oznaczałby przekłamanie wskazania położenia o 300 metrów.

Zegary atomowe wykorzystuje się również do synchronizowania pracy szybkich sieci danych. Brak precyzyjnej koordynacji zadań wysyłania i odbierania danych z użyciem długich linii światłowodowych spowodowałby chaos.

Największa dokładność pomiaru czasu jest nieodzowna również w geodezji i badaniach podstawowych. Zegary atomowe najnowszej generacji mogą pomóc w znalezieniu ciemnej materii i ustaleniu, czy Einstein miał rację, postulując, że ziemska grawitacja rozciąga czas.


Subskrybuj biuletyn „World of Vacuum"!
Subskrybuj teraz, aby otrzymywać najnowsze ciekawe wiadomości z branży urządzeń próżniowych.

SUBSKRYBUJ