Na czym polega zegar atomowy? Gdzie w Polsce jest zegar atomowy?

Co to jest zegar atomowy i jak działa?

Zegar atomowy to jedno z najbardziej precyzyjnych urządzeń pomiarowych stworzonych przez człowieka. Zamiast korzystać z mechanicznych czy kwarcowych oscylatorów, zegary atomowe opierają swoje działanie na zjawiskach fizycznych zachodzących w atomach – zazwyczaj cezowych lub rubidowych. W największym skrócie zegar atomowy mierzy czas na podstawie częstotliwości drgań poszczególnych atomów, które są niezwykle stałe i przewidywalne.

Standardowy zegar atomowy wykorzystuje rezonans mikrofalowy w atomach cezowych. Częstotliwość, z jaką atom cezu emituje promieniowanie elektromagnetyczne podczas przejścia między dwoma stanami energetycznymi, jest wynoszącą dokładnie 9 192 631 770 drgań w ciągu jednej sekundy. To właśnie na tej podstawie określono definicję sekundy w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI).

Dlaczego zegar atomowy jest tak precyzyjny?

Precyzja zegara atomowego wynika z właściwości fizycznych atomów. Przejścia energetyczne w atomach są niemal doskonale powtarzalne i odporne na wpływ czynników zewnętrznych takich jak temperatura, ciśnienie czy pole magnetyczne. W porównaniu do zegarów mechanicznych czy kwarcowych, które mogą posiadać odchyłki dochodzące do kilku sekund dziennie lub miesiąca, zegar atomowy gubi zaledwie ułamek sekundy na miliony lat.

Najnowocześniejsze zegary optyczne przewyższają dokładnością nawet klasyczne zegary cezowe. Zamiast mikrofal, wykorzystują one światło o znacznie wyższej częstotliwości, co przekłada się na większą precyzję. W ciągu ostatnich lat opracowano takie konstrukcje zegarowe, które są w stanie odmierzyć czas z dokładnością do 1 sekundy na 30 miliardów lat.

Gdzie znajduje się zegar atomowy w Polsce?

Centralnym miejscem, w którym znajduje się zegar atomowy w Polsce, jest Główny Urząd Miar (GUM) z siedzibą w Warszawie. To właśnie tam znajduje się tzw. Polski Zegar Atomowy, który pełni rolę wzorca czasu i częstotliwości dla całego kraju. Na podstawie jego pomiarów określa się Polski Czas Urzędowy (PL Time).

GUM posiada kilka zegarów cezowych oraz rubidowych, które tworzą tzw. „zespół wzorców czasu”. Dane z tych zegarów są wykorzystywane do synchronizacji czasu w systemach państwowych, telekomunikacji, energetyce, a nawet w systemach nawigacyjnych i satelitarnych. Główny Zegar Atomowy w GUM podłączony jest także do międzynarodowej sieci instytucji metrologicznych, które wspólnie określają Międzynarodowy Czas Atomowy (TAI).

Jak możemy sprawdzić czas z zegara atomowego?

Polski czas oparty o pomiary zegara atomowego z GUM jest ogólnodostępny dzięki serwisowi www.gum.gov.pl/czas. Można tam zarówno sprawdzić aktualny czas atomowy w Polsce, jak i zapoznać się z informacjami o odchyleniach czasowych w stosunku do czasu UTC (Universal Coordinated Time).

Co więcej, zegar atomowy GUM dostarcza sygnały czasu do specjalnych serwerów NTP (Network Time Protocol), z których korzystają komputery, serwery i inne urządzenia elektroniczne, synchronizując swój wewnętrzny zegar. Dzięki temu miliony systemów w Polsce mają dostęp do jednolitego i precyzyjnego czasu.

Do czego wykorzystywane są zegary atomowe?

Zegary atomowe stanowią podstawę wielu technologii i usług, bez których trudno dziś wyobrazić sobie funkcjonowanie nowoczesnego społeczeństwa. Oto kilka przykładów ich zastosowania:

• Nawigacja GPS – Systemy nawigacyjne wykorzystują różnicę czasu między sygnałami z różnych satelitów, aby precyzyjnie określić pozycję odbiornika. Niedokładność rzędu milisekundy może skutkować błędem lokalizacji sięgającym kilometrów.
• Telekomunikacja – Synchronizacja sieci komórkowej, przesyłu danych oraz działania serwerów wymaga dokładnego czasu referencyjnego.
• Finanse – Czas atomowy służy do znakowania operacji giełdowych i bankowych, co pozwala zachować ich chronologię i integralność.
• Energetyka – Sieci elektroenergetyczne wykorzystują zsynchronizowany czas do sterowania rozdziałem energii i rejestracji awarii.
• Badania naukowe – Eksperymenty fizyczne, radioteleskopy czy detektory fal grawitacyjnych wymagają synchronizacji z dokładnością do milionowych części sekundy.

Jak precyzyjny jest zegar atomowy w porównaniu do innych zegarów?

Dla zobrazowania monumentalnej precyzji zegara atomowego, warto przytoczyć proste porównanie. Jeśli klasyczny zegarek mechaniczny może spóźnić się o kilka sekund dziennie, a nowoczesny zegar kwarcowy o kilka sekund na miesiąc, to zegar atomowy opóźnia się o 1 sekundę na miliony, a nawet miliardy lat. To tak, jakbyśmy porównywali zegarek domowy do instrumentu naukowego, który nieomylnie działa w najbardziej wymagających warunkach.

Współczesne najlepsze zegary optyczne, oparte o pojedyncze jony lub sieci krystaliczne atomów, osiągają precyzję rzędu 1 sekundy na 30 miliardów lat, co czyni je nie tylko zegarami, ale potencjalnie także miernikami grawitacji i krzywizny czasoprzestrzeni – zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina.

Czy można mieć zegar atomowy w domu?

Choć brzmi to futurystycznie, istnieją urządzenia nazywane zegarkami atomowymi dostępne dla konsumentów, jednak nie są to pełnoprawne zegary atomowe z laboriów metrologicznych. W rzeczywistości korzystają one z zewnętrznych sygnałów czasu przesyłanych z nadajników radiowych (np. DCF77 w Niemczech) lub poprzez internet. Tego typu zegary synchronizują się co kilka godzin z czasem wzorcowym i mogą utrzymywać dokładność do ułamków sekundy.

Dla bardziej zaawansowanych użytkowników dostępne są również zegary bazujące na rubidzie lub cezowych oscylatorach, które mają zastosowanie w profesjonalnym sprzęcie pomiarowym lub komunikacyjnym, ale ich cena i wymagania instalacyjne sprawiają, że nie są powszechnie stosowane w gospodarstwach domowych.

Jakie są przyszłościowe perspektywy zegarów atomowych?

Rozwój zegarów atomowych otwiera nowe horyzonty dla nauki i technologii. Przyszłość to zegary optyczne i jądrowe – jeszcze dokładniejsze i mniej podatne na zaburzenia środowiskowe. Ich precyzja może przyczynić się nie tylko do poprawy funkcjonowania systemów technologicznych, ale także do odkrycia fundamentalnych praw rządzących wszechświatem.

W perspektywie kilku dekad, zegary oparte na rezonansie w jądrze atomowym mogłyby odmienić definicję sekundy, czyniąc pomiar czasu jeszcze bardziej niezawodnym. Współczesny wyścig o precyzję nie dotyczy wyłącznie naukowców – dotyka także każdego użytkownika technologii, od smartfona po samochód autonomiczny.