Metody pomiaru czasu oraz definicja sekundy

Sekunda oraz próba dokładnego jej zdefiniowania.

Problem precyzyjnego określania czasu pojawił się już bardzo dawno. Blisko 5000 lat temu w epoce kamiennej w miejscowości Stonehnage leżącej w południowej Anglii, plemiona wzniosły obserwatorium astronomiczne aby jak najdokładniej wyznaczać rozpoczęcie nowego roku. W dzisiejszych czasach do bardzo dokładnego pomiaru czasu wykorzystuje się zegary atomowe - wskazują one czas z błędem w graniach zaledwie bilionowej części sekundy. Te dwa przykłady mogą nam dać wyobrażenie jak bardzo postęp naukowy poszedł do przodu.

Teoretycznie problem pomiaru czasu w przyrodzie sprowadza się do stosunkowo nieskomplikowanej rzeczy: musimy znaleźć w przyrodzie zjawisko, które powtarza się w bardzo regularny sposób i można to zjawisko wykorzystać jako zegar. Pierwsze takie zjawiska, odkryte już przez starożytnych uczonych, to krążenie naszej planety, Ziemi, dookoła Słońca i dookoła jej własnej osi. Pierwsze z tych zjawisk pozwoliło człowiekowi określić trwanie jednego roku, drugie zaś pozwoliło określić długość jednego dnia, czyli doby. Metody pomiaru czasu oparte o obrotu Ziemi wokół Słońca i samej siebie są o tyle nieprecyzyjne, że długość dnia jest różna w zależności od pory roku i szerokości geograficznej.

Kolejnymi używanymi przez człowieka urządzeniami do precyzyjnego wyznaczania czasu były wahadła i zegary. Już w XIX wieku skonstruowano zegary które wskazywały czas z błędem do ułamka sekundy w skali roku. Kolejny postęp nastąpił gdy jako zegary zaczęto stosować kryształy kwarcu w których pomiar czasu odbywał się na zasadzie pomiaru ich wibracji.

Postęp w precyzji wzorców czasu - od używanych w starożytności obrotów Ziemi po wibracje kryształu kwarcu - pokazuje jedną prawidłowość. Zdarzenia wykorzystywane w starym wzorcu czasu i powtarzające się z odpowiednią regularnością okazywały się - przy badaniu za pomocą lepszego wzorca czasu - bardzo nieregularne i nierówne. Tak na przykład pomiar czasu przy pomocy obrotów Ziemi dookoła Słońca i własnej osi nie daje za każdym razem precyzyjnych wyników. Zaburzenia może tu powodować nawet silny wiatr, który może spowodować to, że Ziemia zwalnia nieznacznie prędkość swojego ruchu obrotowego - to niewielkie zaburzenia ma w konsekwencji przełożenie na dziesiętne części sekundy. Na długość jednej doby wpływ mają też takie zjawiska jak pływy oceaniczne czy też trzęsienia ziemi.

Jeden ze sposobów wyznaczania precyzyjności konkretnego wzorca czasu polega na określeniu na którym na ile precyzyjnie dany wzorzec mierzy czas, tj. jaka jest dokładność pomiarów przy jego użyciu - określamy na którym miejscu dziesiętnym mamy jeszcze pewność co do wartości pomiaru. Zegarek, który spóźnia się jedną sekundę w ciągu roku byłby dokładny do siódmego miejsca po przecinku. Dla porównania możemy podać, że zegar wahadłowy ma dokładność do szóstego miejsca po przecinku, zaś te oparte na kryształach kwarcu dochodzą do dziewiątego miejsca. Jednak nawet taka precyzja nie spełnia wymagań stawianych przez współczesną technologię.

U schyłku lat czterdziestych XX wieku amerykański fizyk Norman Ramsey (który został później laureatem prestiżowej Nagrody Nobla) opracował wyjątkowo dokładny sposób pomiaru obrotu elektronów w atomach. Ta metoda pomiaru pozwoliła skonstruować zegar atomowy - jest on do dziś używany jak najdoskonalszy wzorzec czasu. Konstrukcja zegara atomowego (w uproszczeniu) jest oparta o pewną ilość wnęk rezonansowych. Przez te wnęki przenikają atomy i możemy wówczas z bardzo dużą dokładnością mierzyć częstotliwość ruchu elektronów w tych atomach. W 1967 roku wprowadzono definicję sekundy związaną z zegarami atomowymi. Przez jedną sekundę rozumiemy tu czas jaki jest potrzebny do wykonania dokładnie 9 192 631 770 powtórzeń pewnego, ściśle zdefiniowanego cyklu w atomach cezu. Elektrony używane do pomiaru czasu znacznie dokładniejsze od innych metoda. Zachowanie się elektronów w atomach nie podlega takim zaburzeniom jak na przykład wspomniany już ruch obrotowy Ziemi. Dla zobrazowania dokładności zegarów atomowych można powiedzieć, że mają one dokładność na trzynastym miejscu po przecinku.

Sieć zegarów atomowych istnieje dziś na całym świecie. W Stanach Zjednoczonych główny zegar atomowy znajduje się w Naval Observatory (czyli Obserwatorium Marynarki Wojennej) w Waszyngtonie, inne zegary znajdują się Natonal Institutes of Standarts and Technology (Narodowym Instytucie Standardów i Technologii) w stanach Maryland oraz Kolorado. Zegary te stanowią częścią światowej sieci i ich zadaniem jest śledzenie odchyleń od osi obrotu Ziemi. Co pewnie czas zegary te "podejmują decyzję" (na podstawie zebranych danych pomiarowych) czy obrót Ziemi zwolnił na tyle, żeby wprowadzić dodatkową sekundę. Sytuacja taka ma miejsce średnio raz w roku.

Dokładność rzędu trzynastu miejsc po przecinku to wprawdzie imponujący wynik, dziś jednak naukowcy intensywnie pracują nad poprawieniem tego wyniku i zwiększeniem precyzji pomiarów. Jeden z pomysłów polega na wykorzystaniu techniki łapania (mówimy o pułapkowaniu) pojedynczych atomów bądź też ich niewielkich grup i ich izolowania przez dłuższy czas - obecny rekord wynosi kilka miesięcy. Technika ta polega na tym, że po odizolowaniu pojedynczych atomów które następnie schładzamy je (tj. spowalniamy ich ruch). promieniowaniem laserowym. Atomy takie osiągają temperaturę bliską zera bezwzględnego i mogą dawać dokładność do piętnastego nawet miejsca po przecinku.

Kolejny pomysł na poprawę precyzji pomiarów polega na wykorzystaniu fal radiowych emitowanych przez pulsary (obiekty astronomiczne znajdujące się niezwykle daleko od naszej planety) i na ich podstawie określenie wzorca częstości. Pulsary to obiekty obracające się z dużą szybkością i emitują one pod określonym kątem do osi swojej rotacji wiązkę promieniowania radiowego. Oblicza się, że dzięki wykorzystaniu tych fal uzyskano by dokładność do piętnastego miejsca po przecinku.

Najważniejszym obecne zastosowanie zegarów atomowych i precyzyjnego pomiaru czasu to Globalny System Lokalizacji, który składa się z sieci satelitów wyposażonych w zegary atomowe. Użytkownik tego systemu, wyposażony w odpowiedni sprzęt odbiera sygnały przesyłane z co najmniej czterech satelitów, a znając precyzyjny czas wysłania sygnałów można zlokalizować pozycję użytkownika na Ziemi z precyzją kilkudziesięciu centymetrów.