Fundamenty: fizyka kwantowa czasu
Zegar atomowy jest najdokładniejszym przyrządem pomiarowym stworzonym przez człowieka. Jego działanie opiera się na jednym z najbardziej fascynujących zjawisk fizyki kwantowej — rezonansie atomowym. Aby zrozumieć, dlaczego zegar atomowy jest tak wyjątkowy, musimy najpierw zrozumieć, czym różni się atom od kryształu kwarcu czy wahadła.
W klasycznym zegarku kwarcowym oscylator — kryształ piezoelektryczny — drgał z częstotliwością 32 768 Hz. Problem polega na tym, że kryształy kwarcu są wrażliwe na temperaturę, ciśnienie, wilgotność i starzenie się materiału. Stąd zegarek kwarcowy może tracić od kilku do kilkudziesięciu sekund miesięcznie.
Atomy cezu-133 nie mają żadnego z tych problemów. Każdy atom cezu-133 we Wszechświecie jest identyczny — nie starzeje się, nie odkształca się, nie reaguje na zewnętrzne warunki fizyczne (o ile jest odpowiednio izolowany). Jego naturalna częstotliwość rezonansowa wynosi dokładnie 9 192 631 770 Hz i jest taka sama na każdym krańcu Wszechświata.
Definicja sekundy SI (1967): Jedna sekunda to czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami energetycznymi stanu podstawowego atomu cezu-133.
Krok po kroku: jak działa zegar cezowy
Krok 1 — Generowanie atomów cezu
Proces zaczyna się od podgrzania metalicznego cezu do temperatury około 100–150°C w małym piecu. Cez sublimuje, tworząc strumień atomów wylatujących z dyszy. W nowocześniejszych wersjach (zegar fontannowy) atomy są chłodzone laserami do temperatury kilku mikrokelvingów — blisko zera absolutnego (−273,15°C). Przy tak niskiej temperaturze atomy prawie przestają się poruszać, co eliminuje efekt Dopplera i dramatycznie zwiększa precyzję.
Krok 2 — Selekcja stanu kwantowego
Atom cezu może znajdować się w różnych stanach kwantowych. Do pomiaru czasu potrzebujemy dokładnie tych atomów, które są w określonym, niskim stanie energetycznym F=3 lub F=4. Magnes Stern-Gerlach rozdziela atomy według ich stanu — tylko te "właściwe" przepuszczane są do kolejnego etapu. Reszta jest odrzucana i odpompowywana.
Krok 3 — Napromieniowanie mikrofalami (rezonans)
Wyselekcjonowane atomy przechodzą przez komorę mikrofalową, w której promieniowanie elektromagnetyczne ma częstotliwość zbliżoną do 9 192 631 770 Hz. Gdy ta częstotliwość jest dokładnie równa częstotliwości przejścia kwantowego cezu, atomy absorbują energię i przeskakują do wyższego stanu energetycznego. To jest właśnie rezonans atomowy.
gdzie h = stała Plancka (6,626 × 10⁻³⁴ J·s), ν = częstotliwość
Krok 4 — Detekcja i sprzężenie zwrotne
Po wyjściu z komory mikrofalowej, detektor mierzy, ile atomów zmieniło swój stan energetyczny. Gdy rezonans jest idealny — liczba przełączonych atomów jest maksymalna. Układ elektroniczny porównuje wynik z wartością idealną i koryguje częstotliwość lokalnego oscylatora kwarcowego. To zamknięte pętlą sprzężenie zwrotne jest sercem precyzji zegara.
Krok 5 — Generowanie sygnału czasu
Skalibrowany oscylator generuje sygnał wyjściowy: najczęściej 10 MHz (10 milionów cykli na sekundę) lub 1 PPS (jeden impuls na sekundę). Ten sygnał jest rozsyłany do urządzeń końcowych — serwerów NTP, odbiorników GPS, systemów telekomunikacyjnych.
Zegar fontannowy — lepsza odmiana
Klasyczny zegar cezowy ma ograniczenie: atomy poruszają się zbyt szybko przez komorę mikrofalową. Im krótszy czas interakcji, tym mniejsza precyzja. Rozwiązaniem jest zegar fontannowy (ang. cesium fountain clock), w którym atomy są wyrzucane pionowo do góry.
Wyrzucone z prędkością ~4 m/s, atomy docierają do wysokości ~1 m, spowalniają i opadają z powrotem — jak fontanna. Po drodze dwukrotnie przechodzą przez komorę mikrofalową (w górę i w dół), co wydłuża czas interakcji do ~1 sekundy. Efekt? Precyzja wzrasta stukrotnie w porównaniu do klasycznego układu.
NIST-F2, jeden z najbardziej precyzyjnych zegarów świata, jest właśnie zegarem fontannowym. Jego dokładność wynosi 1 sekundę na 300 milionów lat.
Zegary optyczne — nowa generacja
Kolejnym krokiem milowym są zegary optyczne. Zamiast mikrofal (~9 GHz), używają lasera w zakresie optycznym (~429 THz dla strontu-87). Wyższa częstotliwość oznacza więcej "tyknięć" na sekundę — i proporcjonalnie wyższą precyzję.
Atomy (lub jony) są pułapkowane w trójwymiarowej siatce laserowej lub pułapce jonowej i chłodzone do milionowych części stopnia powyżej zera absolutnego. Najlepsze zegary optyczne (JILA Sr Clock, NIST Al⁺) osiągają dokładność 10⁻¹⁸ — 100 razy lepszą niż fontanna cezowa. Gdyby zegar optyczny istniał od Wielkiego Wybuchu (13,8 mld lat temu), jego błąd wyniósłby dziś zaledwie 0,4 sekundy.