Naukowcy są coraz bliżej odkrycia, które przedefiniuje znaczenie sekundy30.03.2021

– Za każdym razem, kiedy chcesz poznać swoją lokalizację, pytasz tak naprawdę zegar atomowy na orbicie, o to, która jest godzina – tłumaczy amerykański fizyk Colin Kennedy.

Co ma wspólnego nasze położenie geograficzne z czasem? Gdyby nie zegary atomowe, które na pierwszy rzut oka wyglądają jak mieszanina drutów i laserów, współczesne udogodnienia technologiczne nie mogłyby działać. Telefony komórkowe, sieć internetowa czy system nawigacji satelitarnej (GPS) działają bowiem w oparciu o zegary atomowe. 

Działanie zegara atomowego opiera się na przełomowej metodzie, która ocenia własności emisyjne konkretnych atomów, czyli ich drgania. Dzięki temu zegar jest tak dokładny, że jeśli liczyłby czas od początku wszechświata aż do teraz, to pomyliłby się prawdopodobnie maksymalnie o pół sekundy.

Przez wiele lat w zegarach atomowych badano drgania atomów cezu. Taki atom w jednej sekundzie porusza się aż 9 miliardów razy. Nowsze zegary atomowe są już 100 razy bardziej dokładne, bo wykorzystują inne pierwiastki, których własności emisyjne są wyższe. Przez to sam miernik czasu zyskuje na precyzji. Popularny jest m.in. iterb, który pod względem częstotliwości drgań przypomina widzialne światło (stąd mówmy już dziś o atomowych zegarach optycznych).

W zeszłym roku z pomocą iterbu fizycy MIT skonstruowali zegar zdolny wykrywać ciemną materię. Wciąż jednak standardem pomiarowym są cezowe zegary atomowe, co zmienić chcą badacze z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz z Uniwersytetu w Boulder Kolorado. W tym celu porównali drgania jonów magnezu z aluminium, strontu i iterbu w osobnych, uznawanych za najlepsze na świecie, zegarach atomowych. Połączyli je ze sobą bezprzewodowymi łączami optycznymi oraz światłowodami o długości kilku kilometrów.

– Celem jest przedefiniowanie sekundy na mniejsze i dokładniejsze części, dzięki którym będzie można dokonywać bardziej precyzyjnych pomiarów – przyznał Kennedy z Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON).

Badaczom udało się dokonać najdokładniejszego jak dotąd pomiaru czasu w historii. Błąd pomiarowy jest mniejszy niż jedna biliardowa procenta. W trakcie kilkumiesięcznej pracy fizycy dostrzegli różnice w pracy zegarów w ciągu kolejnych dni. Te obserwacje przysłużą się w poprawie ich wydajności. Tak wysoka dokładność pozwoli m.in. mierzyć delikatne ruchy skorupy ziemskiej czy wzrost poziomu mórz z powodu topniejących lodowców.