Czym jest czas atomowy i jak się go mierzy?

Czas atomowy to sposób mierzenia czasu, w którym podstawą nie jest ruch planet ani wahadło, lecz drgania atomów. Dzięki temu możemy mierzyć sekundy z dokładnością, jaka jeszcze sto lat temu wydawała się niewyobrażalna. W tym artykule wyjaśniamy, czym jest czas atomowy, jak działa zegar atomowy, jak z wielu zegarów powstaje jedna skala czasu i dlaczego nazwa „atomowy” pada także w nazwie naszego serwisu.

Od ruchu planet do drgań atomów

Przez tysiące lat czas mierzono według nieba. Doba wynikała z obrotu Ziemi, miesiąc z obiegu Księżyca, rok z obiegu Ziemi wokół Słońca. Sekundę definiowano jako 1/86 400 część doby słonecznej. Ta definicja miała jedną poważną wadę: obrót Ziemi nie jest idealnie równy. Zwalnia go tarcie pływowe, a z roku na rok pojawiają się drobne wahania spowodowane ruchami wnętrza planety, oceanów i atmosfery. W latach 50. XX wieku, gdy nauka zaczęła potrzebować precyzji lepszej niż jedna część na miliard, stało się jasne, że potrzebny jest lepszy wzorzec. Znalazło się go w mikroświecie: w atomach.

Jak atom odmierza czas?

Elektrony w atomie mogą znajdować się tylko w ściśle określonych stanach energetycznych. Gdy elektron przeskakuje z jednego stanu do drugiego, atom pochłania lub emituje promieniowanie elektromagnetyczne o dokładnie określonej częstotliwości. Dla danego izotopu jest ona stała wszędzie we wszechświecie, tak jak masa elektronu. Nie zależy od temperatury pomieszczenia, wieku urządzenia ani producenta. To czyni ją idealnym wzorcem.

Za podstawę sekundy przyjęto atom cezu-133. Od 1967 roku sekunda jest zdefiniowana jako czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami nadsubtelnymi stanu podstawowego tego atomu. Wartość ta została dobrana tak, aby nowa sekunda była praktycznie równa wcześniejszej, astronomicznej. Dzięki temu przejście na nową definicję nie zmieniło niczego dla użytkowników, a laboratoria zyskały znacznie lepszy wzorzec.

Jak to działa w zegarze?

1. Atomy cezu są przygotowywane w jednym ze stanów i wprowadzane do komory próżniowej.
2. Oddziałuje na nie promieniowanie mikrofalowe, wytwarzane przez generator kwarcowy.
3. Jeśli częstotliwość mikrofal jest dokładnie równa częstotliwości przejścia, największa liczba atomów zmienia stan.
4. Detektor liczy atomy, które zmieniły stan, a układ sterujący tak dostraja generator, aby tych atomów było jak najwięcej.
5. Skoro generator jest dostrojony do atomu, odliczenie 9 192 631 770 jego drgań daje dokładnie jedną sekundę.

Innymi słowy, kwarc dostarcza „tykania”, a atomy pilnują, aby było ono idealnie równe. Zegary kwarcowe i atomowe porównujemy szczegółowo w artykule zegar kwarcowy a atomowy cezowy.

Jak dokładny jest czas atomowy?

Najlepsze zegary cezowe, tzw. fontanny, osiągają niepewność rzędu jednej części na 10¹⁵–10¹⁶. Błąd jednej sekundy po setkach milionów lat. Zegary optyczne, które wykorzystują przejścia w zakresie światła widzialnego, są jeszcze dokładniejsze. Daje to wzorce, które w praktyce nie są ograniczeniem w żadnym zastosowaniu technicznym. W codziennym życiu o tym nie myślimy, ale każdy raz, gdy telefon podaje godzinę, korzysta z tej precyzji pośrednio.

Jak z wielu zegarów powstaje jedna skala?

Pojedynczy zegar, nawet najlepszy, może ulec awarii albo mieć drobne wahania. Dlatego światowa skala czasu atomowego powstaje z danych wielu zegarów. Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) zbiera pomiary z kilkuset zegarów w kilkudziesięciu laboratoriach na całym świecie. Łączy je w uśrednioną skalę, nadając większą wagę zegarom stabilniejszym. Wynik to Międzynarodowy Czas Atomowy (TAI), ciągła skala bez skoków. Dodatkowo korekta dokonywana jest z użyciem najdokładniejszych wzorców pierwotnych, aby sekunda skali była możliwie najbliższa definicji SI.

Z TAI powstaje UTC, czyli czas uniwersalny koordynowany. To skala, której używamy w życiu cywilnym: ma tę samą sekundę, ale z poprawkami względem obrotu Ziemi. Ich dotychczasową formę opisujemy w tekście sekunda przestępna odchodzi do historii, a związek skal TAI, UTC i GPS w artykule czas GPS, UTC i TAI. Rolę państwowych laboratoriów w polskim systemie dystrybucji czasu wyjaśniamy w tekście skąd się bierze wzorcowy czas w Polsce.

Do czego potrzebny jest czas atomowy?

• Nawigacja satelitarna. System GPS wylicza pozycję z różnic czasu dotarcia sygnałów z kilku satelitów. Błąd jednej mikrosekundy to około 300 metrów w pozycji, dlatego satelity mają zegary atomowe.
• Telekomunikacja. Sieci komórkowe, światłowodowe i energetyczne wymagają synchronizacji, aby dane nie nakładały się na siebie.
• Finanse. Rynki giełdowe wymagają znaczników czasu z dokładnością milisekund lub lepszą, aby rozstrzygać kolejność transakcji.
• Nauka. Radioastronomia, geodezja, fizyka podstawowa i testy teorii względności korzystają z zegarów atomowych jako z narzędzi pomiarowych.
• Internet. Certyfikaty bezpieczeństwa, logi, sieci rozproszone i kopie zapasowe opierają się na zgodnych zegarach, synchronizowanych protokołem NTP.

Czy czas atomowy jest „prawdziwszy” od zwykłego?

Nie w sensie filozoficznym: to po prostu inna, dużo precyzyjniejsza definicja sekundy. Doba słoneczna wciąż ma około 24 godzin, ale jej długość zmienia się w granicach milisekund. Czas atomowy jest wobec tego niezależny od tych wahań, co wymaga okazjonalnych poprawek, jeśli chcemy, by zegarowe południe zgadzało się z położeniem Słońca. O różnicy doby słonecznej i gwiazdowej piszemy w artykule ile trwa doba i rok.

A nasz serwis?

Nazwa „czas atomowy” w tytule strony odnosi się do skali czasu, według której pokazujemy godzinę: czasu zgodnego z UTC i synchronizowanego z siecią. Nasz serwer nie utrzymuje własnego zegara atomowego, a dokładność wskazania zależy od łącza internetowego i urządzenia użytkownika. Dokładnie opisujemy to w sekcji jak to działa. Jeśli chcesz zobaczyć czas na żywo, odwiedź stronę główną, a gdy zależy Ci na bieżącym czasie UTC, sprawdź stronę czas UTC. Nasz serwis jest informacyjny i nieoficjalny, nie zastępuje wzorców publikowanych przez instytucje metrologiczne.