W poszukiwaniu najlepszego czasu
Najdokładniejszy czas wskazuje superzegar z Torunia
Czas jest pojęciem trudnym z punktu widzenia i fizyki, i filozofii, a manipulowanie przy nim niełatwo sobie wyobrazić, chyba że w opowieściach science fiction. A jednak dysponujemy już zegarami, które spóźniają się zaledwie o jedną sekundę w całej historii istnienia Wszechświata, czyli przez prawie 14 mld lat. Polska należy do elitarnego grona kilku państw, które mają takie superczasomierze najnowszej generacji – optyczne zegary atomowe. Nasz, którego budowę sfinalizowano w końcu 2014 r. w Krajowym Laboratorium FAMO (Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej) zlokalizowanym w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, jest na razie nieco mniej punktualny niż te absolutnie najlepsze, ale wkrótce się to poprawi.
Choć przywykliśmy do zegarków na rękę, w telefonie komórkowym, na komputerowym ekranie lub w poczekalni dworcowej, na co dzień kwestia pomiaru czasu umyka. Tymczasem jest on podstawą istnienia cywilizacji technicznej. Bez coraz dokładniejszych pomiarów nie byłoby komputerów, internetu, satelitów i telekomunikacji, GPS, przelewów bankowych online, lotnictwa, natychmiastowo reagującej giełdy, zaawansowanych badań kosmosu, a nawet nowoczesnych pralek i odkurzaczy (nie mówiąc o współczesnych systemach broni). Im bardziej złożone – w sensie technicznym – staje się nasze życie, tym pomiar czasu odgrywa większą rolę, aż w końcu staje się kluczowy.
Każda praktyczna metoda pomiaru czasu opiera się na zliczaniu okresów (cykli) jakiegoś zjawiska, które ma charakter periodyczny (okresowy). Kiedyś, gdy technika była mniej rozwinięta, pomiary te były prostsze – do mniej więcej połowy ubiegłego wieku mierzono czas głównie klasycznymi zegarami mechanicznymi z jakimś rodzajem wahadła, a do synchronizacji czasomierzy i wyznaczania standardów czasowych wystarczały obserwacje astronomiczne.
Okazało się jednak, że obserwacje ruchu gwiazd i planet obarczone są sporymi błędami, a i same ciała niebieskie nie wykonują perfekcyjnie cyklicznych ruchów. Gdy technika na świecie zaczęła się szybko rozwijać, powstała potrzeba zdecydowanie bardziej precyzyjnego mierzenia czasu. Pojawił się pomysł, by pomiar ten powiązać jakoś ze zjawiskami okresowymi, w których powtarzalność jest stabilna w bardzo długim przedziale. W związku z tym zwrócono uwagę na atomy – fizycy wierzą, że są one niezmienne w czasie, że trwają bez zmian od wczesnych etapów Wszechświata i będą tak trwały aż do jego końca.
Atomowy cezowy
W latach 50. XX w. w Anglii skonstruowano pierwszy zegar atomowy. Wykorzystano w nim atomy cezu33. – Zegar atomowy działa w ten sposób – wyjaśnia inicjator budowy polskiego optycznego zegara atomowego prof. Czesław Radzewicz z Wydziału Fizyki UW – że bierzemy jakiś atom, a w nim dwa stany energetyczne, następnie świecimy promieniowaniem elektromagnetycznym, które musi być dokładnie dopasowane do przejścia między tymi stanami. Patrzymy, jak promieniowanie jest dopasowane, i to daje informację o tym, co zrobić z częstością źródła promieniowania elektromagnetycznego, by dostroić się dokładnie do rezonansu w atomie. Gdy to nastąpi, zliczamy cykle promieniowania i mamy bardzo dokładny zegar.
Innymi słowy: każdy atom ma ściśle określone stany energetyczne, w których może przebywać. Kiedy świecimy na niego falą elektromagnetyczną, może przejść z jednego poziomu do drugiego, ale tylko wtedy, gdy fala ma określoną częstość, dopasowaną do dwóch wybranych poziomów w atomie. Jeśli częstość będzie za mała lub za duża, atom nie zmieni stanu. Jeżeli jednak fala jest w rezonansie ze stanami atomu, spowoduje jego wzbudzenie. Fizycy niekiedy nawet nazywają falę elektromagnetyczną wahadłem zegara, a atomy poddane jej wpływowi – zegarmistrzem, który baczy, czy zegar dobrze chodzi i czy jest odpowiednio nakręcony.
Zegary atomowe okazały się niezwykle stabilne i dokładne. Właśnie te dwa parametry określają wartość zegarów w ogóle, a atomowych w szczególności. Stabilność polega na tym, że jeśli mamy dwa, niekoniecznie takie same, zegary i włączymy je w tym samym momencie, ich takty będą się pokrywać. Dokładność zaś określa, na ile zegar jest zgodny z obowiązującym standardem czasu. Jeśli daje stałą liczbę „tyknięć” względem wzorca, to znaczy, że jego pomiar jest dokładny. Jednak z tych dwóch parametrów stabilność jest ważniejsza – określa, czy zegar będzie się spóźniał, a jeśli tak, to o ile i kiedy to nastąpi. W uproszczeniu stabilność zegara można też nazwać jego punktualnością.
Mając dokładny atomowy zegar cezowy – w którym jako wahadła elektromagnetyczne wykorzystuje się mikrofale – społeczność międzynarodowa stworzyła w 1967 r. nowy atomowy wzorzec czasu, określając, że sekunda równa się niecałym dziewięciu i pół miliardom cykli promieniowania elektromagnetycznego, dostrojonego do rezonansu w atomie cezu33. Potem, korzystając z tego wzorca, stworzono też nowy wzorzec metra – jako odległości, którą promień światła w próżni przebywa w określonym, niezwykle małym ułamku sekundy. Jednak już w latach 60. XX w. okazało się, że nawet atomowe zegary cezowe mają ograniczoną stabilność i dokładność.
– Wykazał to amerykański fizyk David Allan – kontynuuje prof. Radzewicz – który odkrył, że na stabilność zegara atomowego wpływa stosunek szerokości linii spektralnej do częstości przejścia między stanami atomu; im mniejszy jest ten stosunek, tym zegar może być bardziej stabilny. Oczywiście natychmiast nasunęło się rozwiązanie – zamiast mikrofal o niskiej częstości zastosujmy fale promieniowania optycznego, które są 40 tys. razy szybsze niż drgania mikrofalowe. Niestety, dla fal o tak dużej częstotliwości nie potrafimy zliczać ich cykli, nie ma tak szybkich liczników elektronicznych.
Dopiero na początku obecnego wieku dwaj nagrodzeni Nagrodą Nobla fizycy – Theodore Hansch z Niemiec i John Hall z USA – znaleźli sposób, by częstości optyczne przenieść do domeny częstości radiowych, a więc znacznie niższych, i to w sposób bardzo dokładny. Tym samym wszystkie klocki potrzebne do budowy atomowego zegara optycznego zostały odnalezione. Pierwsze takie zegary powstały kilka lat temu w USA, potem w Japonii, Niemczech i we Francji. Polska jest kolejnym państwem, które taki zegar posiada. Za sumę 21 mln zł – przy wydatnym finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego – polski optyczny zegar atomowy (POZA) został skonstruowany przez fizyków z Warszawy, Krakowa i Torunia. Włączono go na początku tego roku. Wykorzystuje się w nim atomy strontu88, a wahadłem jest światło laserowe.
Zegar na miliardy lat
To bardzo skomplikowana instalacja optyczna, składająca się tak naprawdę z dwóch zegarów, bardzo stabilnego lasera i dodatkowo tzw. grzebienia częstotliwości optycznych, a więc właśnie owej przekładni, która drgania światła widzialnego może zamieniać (przekładać) na drgania fal radiowych. Zegar z Torunia charakteryzuje się punktualnością (stabilnością) rzędu 10 do minus 15 sekundy (14 zer i jedynka po przecinku), co inaczej licząc, oznacza, że spóźni się zaledwie o sekundę po ok. 31 mln lat. Jego twórcy są przekonani, że po dodatkowych usprawnieniach stabilność ta stanie się znacznie większa. Rekordzistą w tym względzie jest optyczny zegar atomowy zbudowany przez Andrew Ludlowa z NIST (National Institute of Standard and Technology) w USA, który ma stabilność 10 do minus 18 sekundy. Taki zegar spóźni się o jedną sekundę w czasie ponad 10 mld lat.
Zegary cezowe, które posłużyły do rewizji definicji sekundy w latach 60. XX w., miały stabilność niższą od zegara z Torunia (była gorsza niż 10 do minus 13 sekundy). Najlepsze obecnie zegary cezowe (tzw. fontanny cezowe) osiągają stabilność 10 do minus 16 sekundy, jednak dalej zwiększać tej stabilności już się nie da. Stąd potrzeba zegarów nowej generacji, jeszcze bardziej stabilnych – optycznych. Ale i tak dzisiejsze najlepsze optyczne zegary atomowe wskazują czas o wiele dokładniej, niż wymaga tego standard. Dlatego definicja sekundy w przyszłości z pewnością jeszcze raz zostanie zrewidowana. Stanie się jeszcze bardziej precyzyjna.
Czy istnieje kres dla budowania coraz lepiej odliczających czas zegarów? Już teraz przecież pomiary czasu są najbardziej dokładnymi pomiarami na świecie; nie ma nic bardziej precyzyjnego w całej technicznej działalności człowieka. Czy punktualność 10 do minus 18 sekundy nie powinna nam w zupełności wystarczyć?
Dzisiaj pewnie tak, ale jutro... Jeśli zechcemy badać subtelne zmiany w stałej grawitacji ziemskiej, a to pomoże szukać rzadkich i ważnych surowców – to nie wystarczy. Jeśli postanowimy automatyzować całkowicie fabryki i miasta oraz dysponować GPS o rozdzielczości submilimetrowej – także nie. Jeśli zapragniemy scalać w jedno narzędzie radioteleskopy, a nawet teleskopy optyczne, rozsiane po całej Ziemi – zegary też muszą być jeszcze lepsze.
Co liczą zegary?
A czy Polska potrzebuje tak dokładnego zegara atomowego? Właściwe do jakich celów ma posłużyć i po co w ogóle, nakładem wielu środków i ogromnej pracy, powstał? Przecież bardzo precyzyjne optyczne zegary atomowe już istnieją, najbliżej w Niemczech. Czy nie możemy np. od Niemców czy Francuzów brać wzorca najdokładniejszego czasu? Otóż wcale nie jest to takie proste. Po pierwsze, za wzorzec trzeba sporo płacić. Poza tym, by go pobierać stale i bez usterek, potrzeba skomplikowanej i bardzo drogiej instalacji światłowodowej ze stacją nadawczą i odbiorczą oraz przeszkoloną obsługą. Wzorca nie da się przesłać np. drogą radiową. Takie instalacje są równie rzadkie jak sam optyczny zegar atomowy. Lepiej mieć własny.
– Oczywiście – wyjaśnia dyrektor KL FAMO prof. Roman Ciuryło – wszystko można kupić. Nam jednak nie o to chodzi. Gospodarka powinna bazować na nauce, dlatego musimy umieć posługiwać się nowoczesnymi technologiami, by w końcu stać się krajem, który nie tylko kupuje, ale też coś dostarcza. W Polsce nie było jak dotąd tak nowoczesnych i zaawansowanych technologii. Teraz mamy taką i zaczynamy mieć ludzi, którzy się na niej znają. Ten zegar zrewolucjonizuje geodezję, metrologię, telekomunikację, także w samej nauce da nam duże możliwości dokładnych badań, np. w poszukiwaniu zmienności stałych fizycznych. W środowisku specjalistów o atomowych zegarach optycznych nawet mówi się jak o czymś, co za stosunkowo niewielkie pieniądze pozwala uprawiać wielką fizykę. I z grubsza biorąc, po to jest ten zegar.
Najbardziej zdumiewające jest jednak, że coraz dokładniej i stabilniej jesteśmy w stanie mierzyć coś, czego istoty tak naprawdę nie znamy. Od Arystotelesa myśliciele zmagają się z pojęciem czasu jak z największą zagadką, próbując dociec, czym on jest, ale ich próby są daremne. Powstały zresztą błyskotliwe i piękne teorie dotyczące czasu, np. ruchomego obrazu wieczności u Platona czy cykli Poincarego, które pozwalają zatoczyć czasowi wielkie koło i powrócić, albo zakrywania czasu przez przyszłość, w której czai się śmierć, więc odwracamy od niej oczy i wtedy jednocześnie istota czasu nam umyka (u Heideggera).
Być może najlepszą interpretację czasu – bez pisania o czasie samym, lecz o ludzkim życiu – stworzył Arthur Schopenhauer. W swojej rozprawie „Metafizyka życia i śmierci” pisał: „(...) Żyjemy zawsze w oczekiwaniu czegoś lepszego, i to często zarazem w pełnej żalu tęsknocie za minionym. Rzeczy teraźniejsze natomiast przyjmujemy w poczuciu tymczasowości, uważając je za nic innego, jak tylko drogę do celu. Dlatego ludzie, spoglądając u kresu swoich dni wstecz, stwierdzają zazwyczaj, że całe ich życie upłynęło pod znakiem ad interim, i ze zdziwieniem widzą, że to, co na ich oczach przechodziło tak niedocenione i mdłe, stanowiło właśnie ich życie – było tym właśnie, w czego oczekiwaniu żyli (...)”.
To trudna prawda, bo choć mówi o czasie naszego życia, tajemnicy istoty samego czasu też nie odkrywa. Mimo ogromnych wysiłków czynionych od stuleci, wciąż nie wiemy, czym jest czas. Natomiast potrafimy perfekcyjnie go mierzyć i tego na razie musimy się trzymać.
PS Czas mierzony przez najdokładniejszy optyczny zegar atomowy z Torunia można pobrać i używać go jako wzorca w swoim komputerze. Wystarczy (w systemie Windows) w oknie funkcji ustawiania czasu wpisać jeden z poniższych adresów: ntp.zegar.umk.pl lub ntp.poza.umk.pl.