Historia i Rozwój Zegarów Atomowych

Od idei do instrumentu: 80 lat ewolucji

Historia zegarów atomowych jest historią ludzkiej obsesji na punkcie czasu. Przez tysiąclecia próbowaliśmy mierzyć czas za pomocą cienia słońca, piasku, wahadła, kryształów kwarcu. Każdy kolejny przyrząd był dokładniejszy od poprzedniego. Ale żaden nie zbliżył się nawet do precyzji atomów.

Kluczowy wgląd — że przejścia energetyczne atomów mogą służyć jako naturalne oscylatory — dojrzewał przez całe lata 40. XX wieku. Isidor Rabi, odkrywca metody rezonansu magnetycznego, jako pierwszy głośno powiedział: "dlaczego nie zbudować z tego zegara?". Zabrało 10 lat, aby te słowa stały się rzeczywistością.

1955: The Year Zero zegarów atomowych

Rok 1955 jest umownym punktem zero historii zegarów atomowych. W laboratorium NPL w Teddington Louis Essen — ekscentryczny, bezzębny, zawsze w krawacie — i jego współpracownik Jack Parry uruchomili Cs I: pierwszy działający cezowy wzorzec częstotliwości.

Cs I był maszyną wielkości lodówki, wypełnioną rurami próżniowymi, magnesami i detektorami. Jej wnętrzności wymagały temperatury, której kalibracji zajmowały godziny. A jednak — działała. Essen zmierzył częstotliwość atomową cezu z dokładnością nigdy wcześniej nieosiągniętą przez żaden instrument. To był przełom.

Redefinicja sekundy — akt polityczny fizyki

Decyzja z 1967 roku o redefinicji sekundy była czymś więcej niż technikalią metrologii. Była deklaracją filozoficzną: czas jest własnością materii, a nie zewnętrzną abstrakcją. Astronom tracił swój monopol na definiowanie sekundy; fizyk kwantowy przejmował pałeczkę.

Dla instytutów metrologii oznaczało to zbudowanie sieci wzorców atomowych na całym świecie. Dziś TAI — Czas Atomowy Międzynarodowy — jest obliczany jako ważona średnia z ponad 400 zegarów w 80 laboratoriach na 6 kontynentach. To kolegialny zegar o skali planetarnej.

GPS: zegar atomowy w każdej kieszeni

Prawdziwa demokratyzacja czasu atomowego nastąpiła wraz z GPS. W 1993 roku Pentagon otworzył system dla użytku cywilnego. Każdy, kto trzymał w rękach odbiornik GPS — wkrótce każdy użytkownik smartfona — miał dostęp do czasu z dokładnością kilku nanosekund, zsynchronizowanego z zegarami atomowymi na orbicie.

Rewolucja optyczna — trwa do dziś

Zegary optyczne nie są jeszcze nowym standardem SI — ale jest tylko kwestią czasu. Ich precyzja jest tak wielka, że zaczyna ujawniać nowe zjawiska fizyczne: różnicę w tempie czasu na wysokości zaledwie 1 centymetra (efekt grawitacyjny przewidziany przez Einsteina). Zegary atomowe stały się narzędziem geodezji, pomiarów grawitacji i być może — pierwszych testów fizyki poza Modelem Standardowym.

Polska metrologia czasu

Polska uczestniczy w globalnym systemie TAI poprzez Główny Urząd Miar (GUM) w Warszawie. Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM utrzymuje krajowe wzorce czasu oparte na komercyjnych cezowych oscylatorach atomowych, synchronizowanych z UTC przez GPS i łącza satelitarne. Polska sekunda jest identyczna z sekundą wyznaczaną przez NIST, PTB czy SYRTE.