„Najlepsze urządzenia do mierzenia czasu to zegary atomowe, które są ulepszane tak szybko, że każda lista rankingowa najlepszych zegarów na świecie staje się szybko nieaktualna”, twierdzi Thomas O’Brian (szef Time & Frequency Division w National Institute of Standards & Technology – NIST[1]). Obecnym rekordzistą świata jest optyczny zegar oparty na stroncie znajdujący się w University of Colorado. Urządzenie jest tak dokładne, że jeśli będzie prowadzić nieprzerwane pomiary przez 5 miliardów lat nie straci ani nie zyska więcej niż 1 sekundę[2]. Jako, że zegary stają się coraz bardziej wyrafinowane, O’Brian twierdzi, że pewnego dnia mogą powstać bardzo czułe detektory ludzkiej aktywności mózgu, a nawet czarnych dziur w kosmosie.
Każdy zegar, czy to oparty na tradycyjnym wahadle czy atomach, potrzebuje dwóch składników, aby mierzyć czas: oscylatora i licznika, który śledzi oscylację. W prehistorycznych czasach, oscylator był okresem wschodu i zachodu Słońca na niebie, zaś licznikiem był człowiek. Obserwując promienie słoneczne należało postawić znak na ścianie jaskini i można było powiedzieć: to jest dzień – wyjaśnia Jun Ye (lider zespołu, który zbudował strontowy zegar). Zegary atomowe jak sugeruje ich przydomek, wykorzystują jako oscylatory atomy, które naturalnie przemieszczają się z jednego poziomu energetycznego na drugi.
„Podstawowy limit dokładności pomiaru czasu wyznaczają mikrofale”, tłumaczy O’Brian. „Jeśli masz linijkę z drobniejszymi oznaczeniami, masz zamiar uzyskać bardziej dokładny odczyt”. Mikrofale mierzą częstotliwość około 1 mld cykli na sekundę. Światło lasera ma drobniejsze „oznaczenie” sięgające do 1 tryliona cykli na sekundę. Wniosek jest taki, że oscylację atomów można policzyć za pomocą mikrofal. Na przykład zegar cezowy [3] – stosowany obecnie do pomiaru czasu w USA – zawiera kulę z ultra zimnymi atomami cezu, która jest przerzucana przez mikrofalowe wnęki wysokiej próżni. W momencie przejścia atomów, mikrofale „szarpią” spin elektronów najbardziej oddalonych powłok. Badacze dostroili częstotliwość wnęki, aż do momentu zajścia w większości atomów tzw. przejścia nadsubtelnego[4]. Zoptymalizowana mikrofalowa częstotliwość – 9, 192, 631, 770 Hz definiuje jedną sekundę w czasie.
Nawet jeśli zegary cezowe na całym świecie pomagają ustalić czas w urządzeniach cyfrowych to nie są najbardziej precyzyjnymi urządzeniami pomiarowymi na naszej planecie. Wysoka dokładność ma swoją cenę. Ponieważ urządzenia są czułe, nawet najmniejszy ruch w jednym z atomów podczas pomiaru może spowodować błędy. Naukowcy zapobiegają takim ruchom wykorzystując lasery, celem zatrzymania atomu w miejscu. Kraty zegara strontowego posiadają sieć krzyżujących się laserów, które potrafią złapać w pułapkę kilka tysięcy atomów strontu za jednym razem [5]. Ruch atomów nie jest jedynym czynnikiem zaburzającym pomiar. Mogą to być zmiany pola grawitacyjnego, elektrycznego, magnetycznego oraz zmiana temperatury. W przeszłości naukowcy uwzględniali te czynniki w końcowym wyniku lub starali się im zapobiegać, natomiast teraz chcą wykorzystać te zjawiska do wykrywania zmian w polu grawitacyjnym i magnetyczny, wykorzystując wspomniane zegary atomowe.
Współpraca NIST z Instytutem Metrologii (Physikalish Technishe Bundesanstalt, Niemcy) zaowocowała badaniem pola magnetycznego wytwarzanego przez mózg osób z miniaturowych rubidowym zegarem atomowym[6]. Zaś praca z zespołem University of California wykazała, że podobne urządzenia mogą przechwycić ziemskie słabe pole magnetyczne i służyć do spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego w mieszaninie węglowodorów z wodą[7].
- http://www.nist.gov
- Nature 2014: http://dx.doi.org/10.1038/nature12941
- Metrologia 2014: http://iopscience.iop.org/0026-1394/51/3/174/
- http://jaktodziala.blox.pl/resource/struktura_nadsubtelna.htm
- http://www.nist.gov/pml/div689/20140122_strontium.cfm
- Opt. Express2012: http://dx.doi.org/10.1364/BOE.3.000981
- Chem. Int. Ed.2014: http://dx.doi.org/10.1002/anie.201403416
- http://cen.acs.org/articles/92/i48/Atomic-Clocks.html
Opracował: Łukasz Kurach
Korekta: Ilona Sadok