Zegar atomowy jest niemal nieomylny. Jaką dokładność osiągają takie urządzenia?

Spis treści:

1. Najprecyzyjniejsze urządzenie do pomiaru czasu
2. Kwantowe wahadło, czyli jak działa zegar atomowy?
3. Początek dokładnych pomiarów czasu
4. Najdokładniejszy zegar atomowy powstał w USA

Wydaje się, że pomiar czasu jest prostą sprawą. W końcu w przypadku certyfikowanych chronometrów kwarcowych dokładność wynosi +/– 0,07 sekundy na dobę. W praktyce nie ma w tym nic łatwego. Czas stanowi jedną z najbardziej fundamentalnych wielkości fizycznych. W warunkach, w których wymagane są niezwykle precyzyjne pomiary, a średnia dzienna dokładność dla chronometrów, wymagana przez COSC (Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres) jest nie do zaakceptowania. W środowisku naukowym wykorzystywane są znacznie dokładniejsze czasomierze.

Najprecyzyjniejsze urządzenie do pomiaru czasu

Mówiąc o zegarze atomowym, na myśli trzeba mieć urządzenie, którego działanie opiera się na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Do pomiaru czasu wykorzystuje niezmienne i niezwykle precyzyjne drgania atomów, a dokładniej – ściśle określone przejście energetyczne elektronów w atomach.

W przeciwieństwie do zegarów kwarcowych i mechaniczny h, których działanie opiera się na podatnych na wpływ czynników zewnętrznych półprzewodnikowych lub makroskopowych oscylatorach, zegary atomowe cechują się niebywałą stabilnością, wynikającą z niezmiennych właściwości materii na poziomie kwantowym. To właśnie ta wewnętrzna precyzja czyni je najdokładniejszymi czasomierzami.

Jak dokładny jest zegar atomowy?

Co należy rozumieć pod pojęciem „najdokładniejszy”? Typowe urządzenie oparte na cezie może pomylić się o jedną sekundę raz na 100 milionów lat. Wydaje się to niewiarygodne, ale w kwestii dokładności pomiaru czasu nauka nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa (o tym później).

Najdokładniejszymi zegarami atomowymi są zegary optyczne. Urządzenia te bazują na własnościach emisyjnych atomów w zakresie optycznym fal elektromagnetycznych. Granica błędu wynosi w tym przypadku jedną sekundę na 15 miliardów lat. Oznacza to, że gdyby taki zegar ruszył w momencie Wielkiego Wybuchu, dzisiaj spóźniałby się lub spieszył najwyżej o sekundę.

Kwantowe wahadło, czyli jak działa zegar atomowy?

W jaki sposób naukowcom udało się osiągnąć taką precyzję? Zasada działania zegarów atomowych nie opiera się na tradycyjnych wahadłach czy drganiach kryształów, a na fundamentalnych, niezmiennych właściwościach atomów. Najczęściej wykorzystywanym pierwiastkiem chemicznym jest cez, a dokładnie – atomy cezu-133.

Mają one ściśle określone poziomy energetyczne, a przejścia między nimi wiążą się z absorbcją lub emisją promieniowania elektromagnetycznego o precyzyjnej i niezmiennej częstotliwości. W przypadku zegarów cezowych, wykorzystuje się przejścia nadsubtelne w stanie podstawowym atomu.

Przejścia atomowe wykazują właściwości kwantowe, w których przejścia energetyczne są fundamentalnie identyczne dla określonego izotopu. To właśnie ta niezmienna natura tworzy coś w rodzaju „naturalnego standardu”, który jest nieporównywalnie stabilniejszy i o wiele mniej podatny na zewnętrzne zakłócenia niż dowolny oscylator mechaniczny lub kwarcowy.

Początek dokładnych pomiarów czasu

Koncepcja zegarów używających własności atomów nie jest niczym nowym. Na ten pomysł w 1879 roku wpadli dwaj brytyjscy naukowcy – William Thomson i James Clerk Maxwell.

Pierwszy zegar atomowy zbudował Harold Lyons w 1948 roku. Urządzenie to było mniej dokładne niż ówczesne zegary kwarcowe, ale nie to było priorytetem. Pierwszy zegar atomowy służył jedynie do demonstracji koncepcji.

Przełom nastąpił w drugiej połowie XX wieku

Pierwszy dokładny zegar atomowy skonstruował w 1955 roku Louis Essen z brytyjskiego National Physical Laboratory. Praca w pełni funkcjonalnego urządzenia, bazującego na atomach cezu, potwierdziła, że czasomierz oparty na strukturze atomowej jest dokładniejszy od wszystkich znanych urządzeń i metod.

Essen wykorzystał właściwość atomów zwaną strukturą nadsubtelną, w której przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi są niezwykle stabilne. Wybrał cez-133 ze względu na jego korzystne właściwości – jeden elektron walencyjny, pojedynczy stabilny izotop, proste i wąskie widmo i precyzyjną częstotliwość rezonansową 9,192631770 GHz, którą można było dopasować do źródeł mikrofalowych.

W 1967 roku Generalna Konferencja Miar i Wag zdefiniowała jedną sekundę jako czas trwania 9192631770 cykli promieniowania, odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami nadsubtelnymi stanu podstawowego atomu cezu-133.

Najdokładniejszy zegar atomowy powstał w USA

Wydaje się, że w dziedzinie pomiaru czasu, nie da się osiągnąć większej precyzji, ale nic bardziej mylnego. W lipcu 2025 roku naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii opublikowali na łamach „Physical Review Letters” wyniki trwających 20 lat prac nad najdokładniejszym zegarem atomowym.

Zespół z NIST opracował urządzenie bazujące na uwięzionych jonach glinu, których „tykanie” charakteryzuje się niezwykle stabilną i wysoką częstotliwością, przewyższającą stabilność cezu, pierwiastka, który obecnie definiuje sekundę.

Już na wstępie badacze musieli zmierzyć się z niemałym problemem. Jony glinu są trudne do próbkowania za pomocą lasera. Żeby podołać temu wyzwaniu, badacze zastosowali innowacyjne podejście – połączyli jon glinu z jonem magnezu. To połączenie określono mianem spektroskopii logiki kwantowej.

Współpraca dwóch pierwiastków

Magnez nie drga tak dobrze jak glin, ale jest łatwiejszy do kontrolowania laserem. Jon tego pierwszego chłodzi jon drugiego, spowalniając go. Następnie porusza się ruchem zgodnym z ruchem swojego „partnera”, dzięki czemu możliwe stało się odczytanie stanu zegara. Mamy tu zatem do czynienia z idealną synergią fizyki kwantowej i mechaniki precyzyjnej.

Jaką dokładność osiągnęli naukowcy z NIST?

Czy badaczom opłaciło się poświęcić 20 lat na prace badawczo-rozwojowe? Oczywiście, że tak. Skonstruowany w USA zegar umożliwia wykonanie pomiaru sekundy z dokładnością do aż dziewiętnastu miejsc po przecinku. Co to oznacza w praktyce?

Podczas gdy zegar cezowy myli się o jedną sekundę na 15 miliardów lat, urządzenie bazujące na atomach glinu może pomylić się o sekundę... na 317 miliardów lat.

Nasz autor

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.