Icon play
zamknij

teraz
na antenie

Wybierz radio, które chcesz słuchać

Radio kielce
Folk radio

teraz
na antenie

close

STREFA WEEKENDOWA RADIA KIELCE

Daniel Lenart , 25.06.2021

Atomowy wzorzec i optyczna miara. Fontanna cezowa na Telegrafie

Czym jest jedna sekunda? W skali Wszechświata to niewiele. Ale w Świętokrzyskim Kampusie Laboratoryjnym Głównego Urzędu Miar sekundzie, i w ogóle jednostkom czasu, poświęci się wiele uwagi.

Czas i definicja sekundy

Z czasem rozumianym jako swoisty, nieprzerwany, upływający ciąg  jest pewien kłopot. Dość trudno go zdefiniować. Teoretycznie wiemy, że doba jest podzielona na godziny, te na minuty i dalej sekundy. Jeszcze sto lat temu czas był określany na podstawie obserwacji ruchu wirowego Ziemi. Ważne było też to jak długo trwa obieg naszej planety wokół Słońca. Problem w tym, że długość doby się zmienia. Ziemia porusza się po elipsie, co sprawia, że szybkość obrotu wokół własnej osi jest różna. Wpływ ma tu też Księżyc. Radzono sobie z tym wyliczając średnią dobę słoneczną. Jest to średnia wartość czasu trwania jednego obrotu Ziemi wokół własnej osi, wyznaczona z długości roku zwrotnikowego, czyli okresu obiegu Ziemi dookoła Słońca. Doba słoneczna średnia ma dwadzieścia cztery godziny, czyli tysiąc czterysta czterdzieści minut albo osiemdziesiąt sześć tysięcy czterysta sekund.

Zegar atomowy w Narodowym Instytucie Standaryzacji i Technologii - amerykańskiej agencji federalnej pełniącej funkcję analogiczną do Głównego Urzędu Miar / Fot. nist.gov

Jednak w drugiej połowie ubiegłego wieku, konkretnie w 1967 roku, dokonała się rewolucja w definiowaniu jednostek czasu. Miarę sekundy oparto na częstotliwości jednego ze zjawisk fizycznych zachodzących w atomach cezu, uznano, że jest to czas równy  dziewięciu miliardom stu dziewięćdziesięciu dwóm  milionom sześciuset trzydziestu jeden tysiącom siedmiuset siedemdziesięciu okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133. Potem dodano (w 1997 roku), że odnosi się to do atomów cezu w stanie podstawowym w temperaturze 0 K. To nie była ostatnia zmiana tej definicji a prace nad jej ulepszeniem wciąż trwają.

Czas na Kielce

Laboratorium Czasu i Częstotliwości w Głównym Urzędzie Miar będzie jednym z sześciu, których stanowiska znajdą się w Świętokrzyskim Kampusie GUM. Według założeń kompleks budowany właśnie na kieleckim Telegrafie zacznie działać w 2024 roku.

Kielce. Główny Urząd Miar - plac budowy / Fot. Jarosław Kubalski - Radio Kielce

Doktor Albin Czubla, kierownik Laboratorium Czasu i Częstotliwości, mówi, że jednym z zadań jego jednostki będą prace przy redefinicji sekundy. W Kielcach docelowo będzie działał optyczny zegar atomowy. Najpierw jednak zostanie uruchomiona fontanna cezowa. Obecnie są takie dwie w Polsce.

Fontannę cezową można określić jako swego rodzaju zegar, a bardziej konkretnie jako pierwotny wzorzec częstotliwości. Jak wyjaśnia kierownik laboratorium, w każdym zegarze musi być źródło, które równomiernie taktuje, a na bazie tego odmierzamy czas. W przypadku zegara cezowego jest to przyjęta częstotliwość przejścia atomów cezu.

Atomy cezu są schładzane do mikrokelwinów, czyli prawie do zera absolutnego. Z sześciu kierunków na atomy pada światło lasera. Powoduje ono, że atomy wyhamowują swój ruch i zaczynają drgać coraz wolnej. Okresowe wyłączenie górnej wiązki światła, uruchamia pożądany cykl pracy.

- Atomy są wybijane niczym krople wody w fontannie do góry. Wpadają do wnęki rezonansowej, gdzie podany jest sygnał częstotliwości rezonansowej z masera wodorowego i przechodzą do stanu wyższego, a następnie opadają jak krople wody w fontannie tłumaczy Albin Czubla.

Cały proces ma na celu zweryfikowane ile atomów cezu było w stanie energetycznym wyższym i niższym przed wejściem do wnęki rezonansowej, a ile po powrocie z wnęki. Wszystko po to, żeby otrzymać wzorcową sekundę, czyli dziewięć miliardów sto dziewięćdziesiąt dwa miliony sześćset trzydzieści jeden tysięcy siedemset siedemdziesiąt  okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133.

Projekt kampusu Głównego Urzędu Miar, który zostanie zlokalizowany w Kielcach / Fot. BDM Architekci

Czas z wahaniem o sekundę na miliardy lat

Fontanna cezowa nie działa przez cały czas. Ale gdyby tak było, to zegar oparty na niej dopiero po stu milionach lat mógłby się pomylić (opóźnić lub pośpieszyć) o sekundę.

Optyczny zegar atomowy jest jeszcze bardziej dokładny. Będzie potrzebował miliardów lat, żeby zacząć się mylić więcej niż o sekundę. Obecnie takie zegary działają zaledwie w kilku miejscach na świecie. W Polsce jest to Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. Zegar zamiast cezu wykorzystuje atomy strontu.

Oczywiście, pomiary dokonywane w Kielcach będą na bieżąco porównywane z wynikami otrzymywanymi w innych jednostkach. Albin Czubla tłumaczy, że to konieczne, aby być pewnym, że czas jest odmierzany poprawnie.

Warto dodać, że fontanna cezowa, a później optyczny zegar atomowy, muszą znajdować się w ściśle określonych warunkach, bowiem nawet niewielka zmiana pola magnetycznego, pola grawitacyjnego oraz temperatury ma wpływ na wyniki pomiaru. To dlatego raz ustawionej fontanny cezowej nie powinno się przenosić.

Projekt kampusu Głównego Urzędu Miar, który zostanie zlokalizowany w Kielcach / Fot. BDM Architekci

Czas na nowe mierniki - optyczny alkomat

Badania wykonywane przez Główny Urząd Miar służą nauce, ale również mają bardzo praktyczne zastosowanie.

- Podnoszą bezpieczeństwo i komfort życia, zapewniają konkurencyjność gospodarce i uczciwość w handlu, zapewniają powtarzalność, wymagane parametry i jakość produktów, dają zaufanie do wyników pomiarów realizowanych wokół nas, a także prowadzą do rozwoju różnorodnych technologii pomiarowych, w tym technologii optycznych. Za pomocą urządzeń opartych na optyce coraz częściej analizujemy wiele różnych wielkości fizycznych. Na przykład temperatury ciała już prawie nie mierzy się dotykowo, zamiast tego używamy czujników podczerwieni. Dzięki temu pomiar jest bardzo szybki i wystarczająco dokładny - mówi Albin Czubla.

Dzięki optycznym urządzeniom i systemom pomiarowym można mierzyć szereg wielkości fizycznych, nie tylko odległość, czy przemieszczenie, ale także drgania, przyspieszenie siły ciężkości, ciśnienie, wilgotność, stężenie roztworów, skład chemiczny mieszanin gazowych, czy zawartość alkoholu w wydychanym powietrzu. Takie urządzenie przykładowo analizuje wartość absorpcji, czyli to jak dany związek chemiczny - w tym przypadku cząsteczki alkoholu etylowego - pochłaniania promieniowanie podczerwone.

Albin Czubla podkreśla, że rozwój optycznych technologii pomiarowych otwiera szerokie możliwości prowadzenia badań oraz wsparcia przedsiębiorców, zainteresowanych tego typu rozwiązaniami, na przykład rozwojem i produkcją odpowiedniego sprzętu pomiarowego.