zegar atomowy

Technologia

12.06.2023 10:52

Zegar atomowy – najdokładniejsze narzędzie mierzenia czasu

Nauka
7
0
1
7
0

Sama nazwa „zegar atomowy” brzmi na niezwykle skomplikowaną, nieprawdaż? Postaramy się dziś przybliżyć Wam więcej szczegółów na temat tych precyzyjnych urządzeń.

Zegary atomowe to niezwykle precyzyjne urządzenia. Wiele z nich wykazuje dokładność na poziomie 1/15,000,000,000 sekundy na rok. Co to oznacza? Zegar tego rodzaju nie spóźniłby się lub pospieszył o sekundę, nawet gdyby zaczął pracę zaraz po Wielkim Wybuchu aż po dziś dzień. Do czego są nam potrzebne tak precyzyjne urządzenia i jak działają? Czy wiedziałeś, że znajdują istotne zastosowanie w przestrzeni kosmicznej?

Co to jest zegar atomowy?

Czas jest istotnym elementem naszego życia codziennego. Począwszy od nastawienia porannego budzika na daną godzinę, przez upewnienie się co do zaplanowanej wizyty u lekarza po przyjazd tramwaju na przystanek. W każdej z wymienionych okoliczności (oraz tysiącach innych) upewniamy się co do aktualnej godziny. Czas wyznacza nasze codzinne obowiązki, wypoczynek i inne aspekty. Urządzeniem doskonale znanym do codziennego wyznaczania godziny jest zegar – na ręku, w smartfonie, pulpicie laptopa lub wiszący na ścianie.

Te przydatne urządzenia są nam doskonale znane, jednak czy zastanawiało Was kiedyś to, jak dokładne są te osobiste zegary? Szanse na to, że spieszy się lub spóźnia o 10, 15 lub 30 sekund są spore – może ten czas wydłużyć się nawet do minuty lub dwóch. Wielu z nas to nie przeszkadza, ponieważ taki margines błędu jest akceptowalny. W życiu codziennym nie potrzebujemy dokładnego pomiaru czasu, jednak nie zawsze jest to regułą. W wybranych dziedzinach technologii dokładny pomiar czasu ma istotne znaczenie – ułamki sekund decydują o wielu kwestiach, dlatego koniecznością jest dokładny pomiar czasu.

Cezowy zegar atomowy
Zegar atomowy w niczym nie przypomina Twojego osobistego zegarka

Tu właśnie w sukurs przychodzą zegary atomowe, które obok zegarów pulsarowych stanowią najdokładniejsze narzędzia do pomiaru czasu. Do wyznaczenia niezwykle precyzyjnej godziny wykorzystują one mechanizm zliczania okresów atomowego wzorca częstotliwości. Zegar atomowy jest rodzajem zegara, który ściśle współpracuje ze wspomnianym wzorcem. W ten sposób zlicza on oscylacje elektronów w atomach, co pozwala zachować niezwykle wysoką precyzję odczytu. Specyfikę pracy tych urządzeń dokładnie tłumaczymy w poniższym akapicie.

Jak działa zegar atomowy?

Jak już wspominaliśmy, zegar atomowy wykorzystuje do odczytu czasu, specyficznego zachowania atomów. Obecne urządzenia tego rodzaju wykorzystują do tego celu atom cezu. Pierwiastek ten nie jest przypadkiem – atomy cezu są bardzo stabilne i mają określoną częstotliwość, w której elektrony w nich wnętrzu zaczynają wibrować. To właśnie ta częstotliwość jest wykorzystywana jako podstawa do mierzenia czasu przez zegar atomowy.

Jak jednak „zmusić” atomy by zaczęły rezonować? Niezbędna jest tzw. komora mikrofalowa – jest to hermetycznie zamknięta komora, która wypełniona zostaje oparami cezu zmieszanymi z obojętnym gazem. Następnie, wnętrze komory zostaje oświetlone wiązką lasera mikrofalowego. Wiązka ta jest dostrajana do naturalnej częstotliwości rezonacji cezu. Efektem tego jest wywołanie rezonacji atomów cezu.

W momencie, gdy atomy cezu zaczynają rezonować, rozpoczyna się emisja promieniowania o określonej częstotliwości. Specjalny detektor wychwytuje częstotliwość, po czym porównuje ją do standardowej. Różnice między dwoma rodzajami częstotliwości są zatem porównywane tak, by dostosować czas i tym samym: osiągnąć wysoki stopień precyzji. O jak wysokiej dokładności mówimy? W ciągu całego wieku Wszechświata (czyli 13,82 mld lat) zegar atomowy „myli się” zaledwie o niecałą jedną sekundę.

-75%
Kody rabatowe Morele Najlepsze promocje w jednym miejscu

Jakie zastosowanie ma zegar atomowy?

Koszty produkcji zegara atomowego, jak i jego utrzymanie, są niezwykle horrendalne. W związku z tym nie uświadczysz ich w codziennym zastosowaniu. Istnieją jednak gałęzie nauki i techniki, gdzie gra jest zdecydowanie warta świeczki. Wśród najczęściej spotykanych sektorów, które czerpią korzyści z zegarów atomowych, wyróżniamy między innymi przemysł kosmiczny, telekomunikacyjny, nawigacyjny oraz wszelkiego rodzaju badania naukowe.

Zastosowanie w przemyśle kosmicznym sprawdza się przede wszystkim w nawigacji. Jaki jednak związek ma przyrząd do mierzenia czasu z pojazdem kosmicznym? Otóż pomaga w wyznaczeniu np. jego odległości od naszej planety. Polega to na tym, że wysyłany sygnał z Ziemi dociera do pojazdu, a następnie wraca do miejsca z którego wyszedł. Czas, jaki był potrzebny sygnałowi na dotarcie do statku i powrót, pozwala obliczyć odległość. Dzieje się tak, ponieważ znana jest nam szybkość jego poruszania się (prędkość światła).

Wysyłając wiele takich sygnałów, osoby kierujące z centrum kontroli są w stanie wyznaczać trajektorię lotu pojazdu. W celu jednak wysokiej precyzji (różnica położenia nie może wynosić więcej niż metr), osoby sterujące pojazdem muszą korzystać z wysoce precyzyjnych narzędzi. Takim jest właśnie zegar atomowy, który pozwala mierzyć czas z dokładnością do jednej miliardowej sekundy.

Sprawdź też: NASA: sprawdź co widział Hubble w dniu Twoich urodzin

Podobna zasada występuje w przypadku systemów GPS. Zegary atomowe mierzą czas, jaki potrzebny jest sygnałowi wysłanemu z satelity na dotarcie do odbiornika na powierzchni planety. Pozwala to na dokonanie wysoce precyzyjnych obliczeń dotyczących należytego pozycjonowania, tak kluczowych dla poprawnego działania systemu nawigacyjnego.

W przypadku telekomunikacji, zegary atomowe pomagają w synchronizacji sygnałów, które są wysyłane na dalekie odległości. Sami naukowcy również czerpią z osiągnięć w wyznaczaniu precyzyjnego czasu. Omawiane urządzenia znajdują zastosowanie we wszelkiej maści eksperymentach, takich jak te, które dotyczą zachowania atomów czy molekuł w określonych warunkach.

Choć codzienne użytkowanie zegara atomowego przez zwykłego człowieka jest raczej pozbawione sensu, to jednak mają one istotną rolę dla wielu rodzajów dziedzin. Bez nich, bezpieczne sterowanie statkiem kosmicznym z planety, sieć GPS, usługi telekomunikacyjne i wiele innych aspektów, nie byłoby możliwe.

Borówiec
Zegary atomowe, które znajdują się w Laboratorium Czasu i Częstotliwości w Borówcu | Źródło: cbkpan.pl

Ile jest na świecie zegarów atomowych?

Obecnie, na całej kuli ziemskiej pracuje około 400 zegarów atomowych. Nie jest to ogromna liczba, pamiętajmy jednak, że nie są to urządzenia tanie w budowie i utrzymaniu. Liczba 400 zegarów atomowych, na co dzień pomaga między innymi w obliczeniach związanych z wyznaczaniem tzw. TAI. Jest to skrót od Temps Atomique International, co tłumaczymy jako międzynarodowy czas atomowy. Jest to standard pomiaru czasu, który jest podstawą wyznaczania tzw. uniwersalnego czasu koordynowanego, a także lokalnego czasu we wszystkich strefach na całej planecie.

Kto wymyślił zegar atomowy?

Pierwsze koncepcje budowy urządzenia, które do wyznaczania czasu wykorzytywałoby oscylacje atomowe, pochodzą z XIX wieku. Nauka jednak potrzebowała czasu, by sprostać teorii i umożliwić stworzenie tak wymagającego narzędzia. Nastąpiło to w 1955 roku, kiedy to Louis Essen zbudował pierwszy zegar atomowy. Wykorzystywał on w swoim działaniu atomy izotopu cezu-133, w których mierzone były oscylacje przejść elektronu. To wydarzenie sprawiło, że po raz pierwszy ukuto definicję sekundy, jako wartości opartej na czasie atomowy. O co chodzi? 

Zegary atomowe są tworzone w celu najdokładniejszego zmierzenia trwania jednej sekundy. Ta bardzo krótka jednostka czasu jest obecnie podstawową wartością mierzenia czasu. Oficjalna definicja sekundy mówi, że jedną sekundą jest 9,192,631,770 oscylacji atomu cezu-133 w ściśle określonych warunkach.

Klepsydra
Czas ma znaczenie – jego precyzyjne odmierzanie wymaga odpowiednich narzędzi mierniczych. Są nimi właśnie zegary atomowe, najdokładniejsze urządzenia tego rodzaju

Czy w Polsce jest zegar atomowy?

Nasz kraj kilka lat temu dołączył do grona państw, które posiadają i wykorzystują zegary atomowe. Pod koniec 2016 roku, skonstruowano zegar tego rodzaju w Obserwatorium Astrogeodynamicznym CBK PAN w Borówcu pod Poznaniem. Do wyznaczania czasu wykorzystuje on tzw. fontannę cezową – pierwszy tego rodzaju przyrząd, który wdrożono w Polsce. Zbudowana została przez polski zespół naukowców, pod kierownictwem prof. Krzysztofa Szymańca. 

Deep Space Atomic Clock – zegar atomowy działający w kosmosie

Zegary atomowe nie są czymś niezwykłym w przestrzeni kosmicznej – są przecież montowane na pokładach choćby satelitów nawigacyjnych, której orbitują wokół Ziemi. Z uwagi na specyfikę satelitów (małe rozmiary) urządzenia te są zminiaturyzowane – tak, by nie obciążać całego modułu. Przykładowo: zegar atomowy, który pracuje na Ziemi, ma rozmiar porównywalny z dużą lodówką. Umieszczenie go na satelicie nie byłoby możliwe i wiązałoby się z przekroczeniem jej masy operacyjnej.

Małe rozmiary zegarów atomowych w satelitach sprawiają, że te muszą dwa razy w ciągu dnia łączyć się z ziemskimi zegarami atomowymi. Celem tego jest korekta czasu, według znacznie bardziej precyzyjnych danych z ziemskich zegarów atomowych. Urządzenia tego rodzaju, które pracują w kosmosie, są narażone na specyfikę pracy na orbicie (choćby wysokie promieniowanie) oraz nie mają tak skomplikowanej i niezawodnej konstrukcji. W krótkich słowach: cierpią one z braku stabilności i wymagają wsparcia ziemskich zegarów atomowych, by oferować najwyższą dokładność.

Sprawdź też: Podróżowanie w czasie – czy to możliwe? Przykłady za i przeciw możliwościom podróży w czasie

Remedium na to był Deep Space Atomic Clock (DSAC), czyli pierwszy tak zaawansowany zegar atomowy w kosmosie. Choć wciąż był on odpowiednio zminiaturyzowany, jego stabilność działania była nawet 50 razy wyższa niż w zegarach atomowych znajdujących się na satelitach. Wyniesiono go na niską orbitę okołoziemską 25 czerwca 2019 roku z pomocą rakiety Falcon Heavy – zegar zamontowano na satelicie Orbital Test Bed, gdzie miał pracować przez rok (ostatecznie misję wydłużono do ponad dwóch lat).

O jakiej dokładności jest mowa w przypadku Deep Space Atomic Clock? Wykazuje on niedokładność w przedziale jednej nanosekundy na 10 dni. Wydaje się mało? Nie do końca – otóż pracując przez pełne 10 milionów lat, różnica w wyznaczaniu czasu po upływie tego okresu wynosiłaby zaledwie jedną sekundę. To ogromny postęp w stosunku do tego, co obecnie oferują zegary atomowe, które pracują w kosmosie.

zegar atomowy DSAC
DSAC na grafice koncepcyjnej | Źródło: nasa.gov

Deep Space Atomic Clock stał się najstabilniejszym zegarem atomowym, który kiedykolwiek pracował w kosmosie. Czym wyróżnia się na tle innych konstrukcji? Jego wysoka wydajność osiągnięta została przez specjalną konstrukcję. Zegar ten wykorzystuje w swojej pracy jony rtęci – ich zastosowanie pozwala na uniknięcie wielu niekorzystnych zachowań samych atomów. Jest tak, ponieważ jony rtęci mają ładunek elektryczny, który umożliwia wytworzenie tzw. pułapki elektromagnetycznej. Jej rola w należytej kalkulacji upływu sekundy w kosmosie jest ogromna.

W ten sposób udało się osiągnąć nowy, niedościgniony wcześniej poziom precyzji, który stwarza wiele możliwości. Przede wszystkim umożliwia to wdrożenie znacznie bardziej rozbudowanego automatycznego sterowania pojazdami w przestrzeni kosmicznej – bez asysty z Ziemi. Pozwoliłoby to na ogromne oszczędności oraz szybszy czas reakcji w przypadku wszelkich niepożądanych zdarzeń. Zastosowanie tak precyzyjnego zegara atomowego w kosmosie to również znaczny postęp w dziedzinie nawigacji w dalszych partiach Układu Słonecznego – przede wszystkim w misji na Marsa.

Sprawdź też: Układ słoneczny – jakie planety wchodzą w jego skład? Wszystkie planety układu słonecznego

18 września 2021 roku, DSAC dezaktywowano, po tym, gdy dostarczył ogromnych ilości danych naukowcom. Misja zakończyła się sukcesem – i to tak dużym, że już teraz trwają przygotowania do jej kontynuacji. Deep Space Atomic Clock-2, ulepszona wersja DSAC, jest zaplanowana na 2028 rok (misja VERITAS).

Zegar pulsarowy vs zegar atomowy

Do precyzyjnego wyznaczania czasu, oprócz zegarów atomowych, w użytku znajdują się również tzw. zegary pulsarowe. Czym one jednak są? Zegary pulsarowe opierają się na regularnych pulsacjach pulsarów, specyficznego rodzaju gwiazd neutronowych o bardzo szybkiej rotacji. Pulsary to bardzo gęste i silnie magnetyzowane obiekty, które emitują wiązki promieniowania elektromagnetycznego w regularnych odstępach czasu. Zegary pulsarowe wykorzystują te pulsacje jako odniesienie do mierzenia czasu.

Pod względem dokładności, zegary atomowe są znacznie bardziej precyzyjne niż zegary pulsarowe. Zegar atomowy może osiągnąć dokładność na poziomie jednej sekundy na kilka miliardów lat, podczas gdy zegar pulsarowy może mieć dokładność na poziomie jednej sekundy na kilka tysięcy lat. Oznacza to, że zegary atomowe są bardziej odpowiednie do zastosowań wymagających bardzo precyzyjnego mierzenia czasu, takich jak systemy GPS, badania naukowe czy standardy czasu.

zegar pulsarowy
Pulsar Kraba – obiekty tego rodzaju są pierwszymi ciałami niebieskimi spoza Układu Słonecznego, które wykorzystano do odmierzania upływu czasu

Oba rodzaje przyrządów do pomiaru czasu są niezwykle precyzyjne z punktu widzenia zwykłego człowieka. Tak jak w przypadku codziennych zastosowań te różnice są praktycznie niezauważalne, tak, jeśli chodzi o profesjonalne zastosowania, zegar pulsarowy nie jest konkurencją dla zegara atomowego. Pod względem najwyższej precyzji i dokładności, zegary atomowe są obecnie najlepszymi urządzeniami do wyznaczania czasu.

Warto nadmienić pewną interesującą kwestię, która dotyczy zegarów pulsarowych. Otóż pierwszy tego rodzaju przyrząd został opracowany w naszym kraju. Znajduje się on w kościele św. Katarzyny Aleksandryjskiej w Gdańsku – co ciekawe, jest to pierwszy zegar na świecie, który rejestruje czas, opierając się na źródle sygnału spoza naszej planety (poza zegarami słonecznymi).

Sprawdź też: Czym jest bomba atomowa? Jak naprawdę działa? Najpotężniejsze bomby jądrowe

Zegary atomowe są niezbędnym elementem wielu dziedzin – gdyby nie one, nie byłoby możliwe korzystanie np. z nawigacji w telefonie. Ich znacznie wykracza jednak poza usługi lokalizacyjne. Mamy nadzieję, że nasz artykuł przybliżył Wam to zagadnienie.

Źródło obrazu głównego: popularmechanics.com

7
0

Podziel się:

Komentarze (1)

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *