8
Na pewno słyszeliście już kiedyś termin „zegar atomowy”, ale nie wiecie dokładnie, co on oznacza i nie znacie jego lokalizacji. W tym artykule zdradzimy Wam, skąd ten zegar podaje dokładny czas, oraz przedstawimy kilka informacji na temat zegara atomowego.
Lokalizacje zegara atomowego
W Niemczech działają cztery zegary atomowe. Wszystkie znajdują się w Federalnym Instytucie Fizyczno-Technicznym w Brunszwiku.
- Jeden z nich, zegar cezowy CS2, dostarcza nam dokładny czas od 1991 roku. Państwa zegar radiowy w domu lub na ręku odbiera na przykład dokładny czas z tego zegara atomowego.
- W Austrii działa kilka zegarów atomowych. Odpowiada za nie Federalny Urząd Miar i Wag z siedzibą w Wiedniu.
- Czas atomowy TAI pochodzi z zegara atomowego w Szwajcarii. Laboratorium czasu i częstotliwości Federalnego Urzędu Metrologii w Wabern koło Berna również obsługuje kilka zegarów atomowych.
Warto wiedzieć o zegarach atomowych
Zegary atomowe są znane ze swojej bardzo dużej dokładności. Czas ten jest znormalizowany od 1967 roku. Jednostką czasu stosowaną w tym celu jest sekunda.
- Jedna sekunda odpowiada dokładnie 9 192 631 770 drganiom mikrofalowym promieniowania cezu. Drgania te stanowią podstawę działania naszych zegarów atomowych i naszego czasu.
- Podstawą działania zegara atomowego jest, jak można się spodziewać, fizyka, ale także chemia. W dzisiejszych zegarach atomowych wykorzystuje się izotop cezu 133.
- Samo działanie zegara jest skomplikowane. Mówiąc najprościej, zegar atomowy, podobnie jak każdy inny zegar, składa się z licznika i generatora impulsów.
- Cez pełni w zegarze atomowym funkcję generatora impulsów. Najpierw jest on odparowywany w piecu, a następnie skupiany w próżni w postaci wiązki. Atomy cezu znajdują się wtedy w stanie podstawowym.
- W magnetycznym polu mikrofalowym atomy zmieniają swój stan z określoną prawdopodobieństwem, a następnie są zliczane.
- Pole mikrofalowe jest ustawione tak, aby zliczyć jak najwięcej atomów. W ciągu jednej sekundy jest to wspomniane powyżej 9 192 631 770 drgań mikrofalowych.
- Czas jest tak dokładny, ponieważ częstotliwość promieniowania przejść atomów cezu jest prawie stała. Dzięki temu zegar atomowy w Brunszwiku ma jedynie 13 miliardowych części sekundy odchylenia rocznie.
- Nawiasem mówiąc, zegar atomowy nie istnieje dopiero od momentu zdefiniowania jednostki czasu sekundy w 1967 roku.
- Pierwszy zegar atomowy został opracowany już w 1949 roku w National Bureau of Standards w Stanach Zjednoczonych. Jednak ówczesnym generatorem taktującym nie były jeszcze atomy cezu, lecz cząsteczki amoniaku.
Dlaczego zegary atomowe wyznaczają nasze życie
Bez zegarów atomowych nasze codzienne życie dosłownie straciłoby rytm. Chociaż pozostają one niewidoczne, wiele nowoczesnych systemów zależy bezpośrednio od ich dokładności.
- Nawigacja GPS: satelity obliczają odległości na podstawie dokładnych różnic czasowych. Nawet odchylenie rzędu jednej miliardowej sekundy może spowodować błąd pozycjonowania wynoszący kilka metrów.
- Telekomunikacja: sieci komórkowe i usługi internetowe synchronizują pakiety danych za pomocą czasu atomowego.
- Sieć energetyczna: częstotliwości sieciowe i rozkład obciążenia opierają się na precyzyjnej synchronizacji czasu.
- Rynki finansowe: giełdy i systemy handlowe wymagają milisekundowej dokładności znaczników czasu dla transakcji.
W ten sposób międzynarodowa koordynacja czasu za pomocą zegarów atomowych zapewnia porządek w cyfrowym, połączonym świecie.
Dokładność w porównaniu: zegary atomowe, kwarcowe i mechaniczne
Jak dokładny jest naprawdę zegar atomowy – i jak wypada on w porównaniu z innymi urządzeniami pomiaru czasu?
- Zegarek mechaniczny może się różnić o kilka sekund dziennie, podczas gdy zegarek kwarcowy traci tylko kilka sekund w miesiącu. Natomiast zegar atomowy cezowy nie traci ani sekundy w ciągu milionów lat.
- Nowoczesne optyczne zegary atomowe są jeszcze dokładniejsze: za pomocą światła laserowego mierzą drgania atomów, takich jak stront lub iterb, i osiągają stabilność, przy której odchylenie wynoszące jedną sekundę wystąpiłoby dopiero po ponad 30 miliardach lat.
