Zajmijmy się przez kilka minut… sekundą
Tak, tym małym skubańcem, który wielu dał się we znaki. Skąd się to „coś” właściwie wzięło? Ile trwa? Kto zdecydował, ile ma trwać? I czym tak naprawdę jest sekunda?
Pomysł sekundy w pewien pokrętny sposób rzeczywiście wiąże się ze Słońcem. Ale nie dlatego, że ktoś narysował okrągły zegar słoneczny i postanowił podzielić go na 60 kawałków. Historia jest bardziej zagmatwana. Egipcjanie już tysiące lat temu dzielili jasną część doby na 12 części. Ich dzienna godzina nie była jednak naszą godziną: latem była dłuższa, zimą krótsza. Zegar słoneczny mierzył bowiem nie abstrakcyjny, równomiernie płynący czas, ale wędrówkę cienia wraz ze Słońcem po niebie.
A co robiono w nocy, kiedy Słońce, mówiąc oględnie, średnio nadawało się do roli zegara?
Patrzono na gwiazdy.
Egipcjanie obserwowali gwiazdy i grupy gwiazd nazywane dziś dekanami. Było ich 36 i nie oznacza to, że dzielili noc na 36 kawałków. Dekany miały również znaczenie kalendarzowe: kolejne wiązano z następującymi po sobie dziesięciodniowymi okresami roku. 36 takich okresów dawało 360 dni, do których dochodziło jeszcze pięć dodatkowych dni. Noc natomiast dzielono na 12 godzin. W ciągu nocy obserwowano pojawianie się i przemieszczanie odpowiednich dekanów po niebie, a ich położenie pozwalało określać kolejne godziny. Mówiąc obrazowo, nocne niebo było dla Egipcjan czymś w rodzaju gigantycznej tarczy zegara, a gwiazdy pełniły rolę jego wskazówek.
Oczywiście te godziny nadal nie miały stałych 60 minut. Ponieważ długość nocy zmieniała się wraz z porą roku, zmieniała się również długość nocnej godziny.
Zanim więc zaczęliśmy się kłócić o to, ile dokładnie trwa sekunda, mieliśmy znacznie większy problem: nawet godzina nie chciała przez cały rok trwać tyle samo.
Oczywiście samo wymyślenie godzin nie wystarczało. Trzeba było jeszcze czymś je mierzyć. W dzień pomagało Słońce. Najprostszym rozwiązaniem był gnomon, czyli w zasadzie kij lub inny pionowy element rzucający cień. Egipcjanie konstruowali też bardziej zaawansowane zegary cieniowe. Około 1500 roku p.n.e. używano przenośnych urządzeń pozwalających dzielić jasną część dnia na mniejsze odcinki. Tak zaczyna się długa historia zegarów słonecznych, a co z nocą? Wtedy można było patrzeć na wspomniane wcześniej dekany, ale Egipcjanie mieli też inne genialne rozwiązanie: zegar wodny, czyli klepsydrę (tak klepsydra kojarzy nam się z piaskiem a powinna także z wodą).
„Klepsydra (gr. κλεψύδρα od κλέπτω, κλέπτειν „kraść, uchodzić ukradkiem, wymykać się” i ὕδωρ „woda”) – zegar wodny, w późniejszych czasach także piaskowy,…” więcej na Wikipedii
Woda powoli wypływała przez niewielki otwór, a poziom cieczy pozwalał określić upływ czasu. Co szczególnie ciekawe, zachowany egipski zegar wodny z około 1400 roku p.n.e. miał osobne skale uwzględniające różne długości nocnych godzin w kolejnych miesiącach roku.
Czyli Egipcjanie nie tylko zaakceptowali fakt, że godzina zimą i latem może mieć inną długość. Zbudowali zegar, który był do tej zmienności dostosowany.
Tymczasem w Mezopotamii rozwijała się zupełnie inna część naszej układanki, matematyka oparta na liczbie 60. I te dwie historie: dzielenie doby oraz sześćdziesiątkowa matematyka astronomów z czasem splotły się ze sobą tak mocno, że ich ślady nosimy dziś na każdym zegarku.
Źródło ilustracji: Rijksmuseum van Oudheden, Lejda / Wikimedia Commons.
Źródło ilustracji: National Museum of Egyptian Civilization, Kair.
Jako ciekawostkę powiem Wam, że dawno temu mieli łeb do ciekawych rozwiązań, co was zdziwi na palcach nie liczono do dziesięciu a do … do dwunastu! Jedną dłonią i to nie całą bo kciukiem wskazywano paliczki czterech palców. Dodatkowo mając drugą rękę można było mnożyć „dwunastki” Ci nasi przodkowie to zmyślne bestie.
Grafika wygenerowana dla Ekscynatorium.pl. Udostępniona na zasadach CC0 1.0.
Wróćmy do naszej sekundy.
Mamy już dobę podzieloną na godziny i mamy drugi element tej układanki: system sześćdziesiątkowy, rozwijany w starożytnej Mezopotamii, wykorzystywany przez babilońskich matematyków i astronomów. I trzeba przyznać, że 60 jest cholernie wygodną liczbą. Dzieli się bez reszty przez 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20 i 30. Dziesiątka pod tym względem wypada dość blado, bez reszty podzielimy ją właściwie tylko przez 2 i 5.
Zatrzymajmy się … jakżeby inaczej… na sekundę! Bo jest pewien haczyk. Na sekundę jako jednostkę czasu trzeba jeszcze poczekać. Jej historia prowadzi nas bowiem najpierw do astronomii.
Przenieśmy się do II wieku p.n.e. Na scenę wchodzi Hipparchos, jeden z najważniejszych astronomów starożytności. Zaczynają spotykać się wątki, które ciągniemy od początku tej opowieści. Z jednej strony mamy egipską tradycję dzielenia dnia i nocy na zestawy po 12 godzin. Z drugiej mamy mezopotamską astronomię i matematykę opartą na systemie sześćdziesiątkowym. W astronomii hellenistycznej te tradycje/rozwiązania splotły się (jak się okazuje) nierozerwalnie. Hipparchos zrobił dla naszej historii coś szczególnie ważnego. Najprawdopodobniej jako pierwszy zaczął dla potrzeb astronomii konsekwentnie posługiwać się 24 równymi godzinami doby. Astronom potrzebował bowiem godziny, która nie wydłużała się latem i nie kurczyła zimą.
Co ciekawe, zwykli ludzie nie rzucili się natychmiast na ten wynalazek. Godziny sezonowe pozostały w codziennym użyciu przez wiele stuleci. Równe godziny były przede wszystkim narzędziem astronomów. I właśnie astronomia stała się tyglem, w którym 24 równe godziny oraz sześćdziesiątkowa matematyka odziedziczona po Babilończykach zaczęły tworzyć system coraz bardziej przypominający ten, którego używamy dzisiaj.
Przeskoczmy (na sekundę) około trzystu lat do przodu.
W II wieku naszej ery Klaudiusz Ptolemeusz w swoim Almageście posługiwał się już rozwiniętym sześćdziesiątkowym sposobem zapisywania wielkości astronomicznych. Stopień można było podzielić na 60 mniejszych części, a każdą z nich ponownie na 60. I tutaj pojawiają się przodkowie naszych minut i sekund kątowych. Co ciekawe, Ptolemeusz wykorzystywał kąty nie tylko do opisywania nieba. W swojej Geografii podawał położenie miejsc za pomocą długości i szerokości geograficznej, czyli współrzędnych kątowych. Nie nazywał jeszcze tych kolejnych sześćdziesiątych części „minutami” i „sekundami” w naszym dzisiejszym znaczeniu, ta terminologia pojawiła się później w łacińskiej tradycji astronomicznej. Sam pomysł był jednak już na miejscu: stopień, jego sześćdziesiąta część i sześćdziesiąta część tej części. Co zabawne, takie maleńkie kąty można było więc zapisywać matematycznie na długo przed tym, zanim potrafiliśmy je równie precyzyjnie mierzyć.
Na początku XI wieku pojawia się kolejny bohater naszej historii: perski uczony Abu Rajhan Al-Biruni. Posługiwał się takim samym sześćdziesiątkowym rachunkiem już przy obliczeniach czasu, dzieląc godzinę na minuty, sekundy i jeszcze mniejsze części. Jego obliczenia związane z okresem obiegu Księżyca to jeden z pierwszych znanych nam i dobrze udokumentowanych z wczesnych przykładów takiego zastosowania.
I tutaj warto zatrzymać się przy samej nazwie naszego bohatera (sekundy a nie Abu Rajhan Al-Biruni). W łacińskiej tradycji kolejne sześćdziesiąte części określano jako pierwszą i drugą „pomniejszoną część”. Stąd wyrosły określenia odpowiadające minucie i sekundzie. secunda, czyli druga.
Dlaczego druga? Bo jest wynikiem drugiego (kolejnego) podziału przez 60:
pierwszy podział: godzina ÷ 60 → minuta (wyrażenie pars minuta prima – pierwsza mała część lub maleńka cząstka)
drugi podział: minuta ÷ 60 → sekunda (Wyrażenie pars horae minuta secunda oznacza „drugą mniejszą część godziny”)
Czyli nazwa „sekunda” nie oznacza żadnego fundamentalnego „tyknięcia zegara Wszechświata”. To historyczna pamiątka po tym, że była drugą małą częścią otrzymywaną w sześćdziesiątkowym podziale. I tu robi się jeszcze ciekawiej.
Można było przecież dzielić ją dalej. I z czasem oczywiście zaczęliśmy to robić. Dziś jednak zamiast kolejnych podziałów przez 60 używamy przede wszystkim systemu dziesiętnego.
Matematycznie ludzie potrafili więc zejść poniżej sekundy na długo przed tym, zanim potrafili porządnie zmierzyć samą sekundę. O jakim podziale mówimy? Zaraz Wam kapcie pospadają:
1 s
Sekunda
0,001 s
Milisekunda, 10⁻³ s
0,000001 s
Mikrosekunda, 10⁻⁶ s
0,000000001 s
Nanosekunda, 10⁻⁹ s
0,000000000001 s
Pikosekunda, 10⁻¹² s
0,000000000000001 s
Femtosekunda, 10⁻¹⁵ s
0,000000000000000001 s
Attosekunda, 10⁻¹⁸ s
0,000000000000000000001 s
Zeptosekunda, 10⁻²¹ s
0,000000000000000000000001 s
Yoctosekunda, 10⁻²⁴ s
0,000000000000000000000000001 s
Rontosekunda, 10⁻²⁷ s
0,000000000000000000000000000001 s
Quectosekunda, 10⁻³⁰ s
I tutaj zatrzymajmy się na moment, bo właśnie skończyły nam się oficjalne przedrostki SI.
SI, czyli Système international d’unités, to Międzynarodowy Układ Jednostek Miar. To właśnie do niego należą dobrze nam znane przedrostki takie jak kilo, mili, mikro czy nano. W 2022 roku do tej rodziny dołączyły między innymi ronto, oznaczające 10⁻²⁷, oraz quecto, oznaczające 10⁻³⁰. Na quecto kończy się obecnie oficjalna drabinka SI w stronę coraz mniejszych wielkości.
Czy to znaczy, że dalej dzielić już nie wolno? Oczywiście, że nie. Po prostu kończą nam się nazwy przedrostków. Zera możemy dopisywać dalej. Teraz dopiero trzymajcie się bo zaczyna się zabawa:
0,000000000000000000000000000000001 s
10⁻³³ s
0,000000000000000000000000000000000001 s
10⁻³⁶ s
0,000000000000000000000000000000000000001 s
10⁻³⁹ s
0,000000000000000000000000000000000000000001 s
10⁻⁴² s
I w dużym uproszczeniu:
0,00000000000000000000000000000000000000000001 s
10⁻⁴⁴ s okolice czasu Plancka
I tutaj od razu zaznaczam słowo „okolice”, bo 10⁻⁴⁴ s nie jest dokładną wartością czasu Plancka. To tylko wygodne pokazanie jego rzędu wielkości. A teraz ciekawostka dla tych, którym jeszcze nie wystarczyło zer.
Czas Plancka wynosi w przybliżeniu:
tₚ ≈ 5,391247 × 10⁻⁴⁴ s
czyli, jeśli uprzemy się, żeby napisać to na piechotę:
0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 053 912 47 s
Tak. Czterdzieści trzy zera po przecinku i pojawia się liczba pięćdziesiąt trzy… Nie! Tego nawet nie próbujcie czytać jak normalnej liczby. Notację naukową wymyślono między innymi po to, żebyśmy przy czymś takim nie oszaleli. Czas Plancka definiujemy jako:
tₚ = √(ℏG/c⁵)
gdzie ℏ jest zredukowaną stałą Plancka, G stałą grawitacji, a c prędkością światła w próżni.
5,391247 × 10⁻⁴⁴ s
I tutaj bardzo ważne zastrzeżenie. Czas Plancka nie jest najmniejszą udowodnioną jednostką czasu. Nie wiemy, czy czas jest „poszatkowany” na porcje tej wielkości ani czy pomiędzy nimi nic nie istnieje. Czas Plancka jest naturalną skalą otrzymaną z fundamentalnych stałych fizycznych. W tych okolicach spodziewamy się, że do opisu rzeczywistości potrzebna staje się kwantowa teoria grawitacji.
Jeżeli chcecie zobaczyć, co właściwie oznacza schodzenie do coraz krótszych skal czasu, polecam świetny materiał kanału Smartgasm. Autor zabiera nas w podróż od zwyczajnej sekundy przez coraz krótsze przedziały czasu i pokazuje, jak wraz ze zmianą skali zaczynamy obserwować zupełnie inne zjawiska. To dobre uzupełnienie tego tekstu, bo ja skupiam się przede wszystkim na tym, skąd sekunda się wzięła i dlaczego trwa akurat tyle, ile trwa. Smartgasm zagląda natomiast do środka naszej sekundy i sprawdza, co można znaleźć, gdy zaczniemy ją kroić na coraz mniejsze kawałeczki.
Jest coś cudownie absurdalnego w całej tej podróży. Zaczęliśmy od ludzi, którzy dzielili godzinę przez 60. Skończyliśmy na:
0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 053 912 47 sekundy.
A nadal nie odpowiedzieliśmy na najbardziej podstawowe pytanie: skąd właściwie wiemy, ile trwa jedna sekunda?
Bo powiedzieć, że minuta ma 60 sekund, jest bardzo łatwo. Tylko skąd wiadomo, kiedy minęła pierwsza sekunda? Możemy oczywiście zrobić to, co znamy z amerykańskich filmów:
one Mississippi, two Mississippi, three Mississippi…
Albo po naszemu:
tysiąc jeden, tysiąc dwa, tysiąc trzy…
Do zabawy w chowanego wystarczy. Do fizyki trochę słabo. Na scenę wchodzi sam wielki Galileusz. Badał ruch wahadła pod koniec XVI wieku i zauważył jego niezwykle przydatną cechę. Dla niewielkich wychyleń czas pojedynczego wahnięcia zmienia się stosunkowo niewiele. Galileusz zaprojektował nawet zegar wykorzystujący wahadło, ale nie zdążył go zbudować. Pomysł podchwycił holenderski uczony Christiaan Huygens.
W 1656 roku skonstruował pierwszy praktyczny zegar wahadłowy, a w 1657 roku rozwiązanie zostało opatentowane. Jego pierwsze konstrukcje osiągały błąd mniejszy niż około minuta na dobę. Późniejsze udoskonalenia Huygensa zmniejszyły go do mniej niż około 10 sekund dziennie.
I nagle sekunda przestała być wyłącznie czymś, co astronom może sobie wyliczyć. Zaczęła być czymś, co można było zobaczyć. I usłyszeć.
Tik. Tak. Tik. Tak.
Fizyka jest piękna ale i okrutna. Stwierdzono, że wahadło zegara ma robić „tik, tak, tik, tak” ale nawet jeżeli już jako tako mechanizm wychwytowy i wahadło działały, to pojawił się problem dokładności, bo wilgotność może wpływać na sprężynę, temperatura na długość wahadła (rozszerzalność cieplna), ktoś przebiegł obok zegara i podmuch lub wstrząs zaburzył delikatną maszynerię. Jeszcze tarcie elementów. Tylko, że dobrze by było jeszcze móc jakoś ten zegar przenosić a to generowało kolejne problemy. Oczywiście, kolejną „ciekawostką” były pierwsze zegary ze wskazówką pokazującą naszą dzisiejszą bohaterkę. Sekundniki, a jakże, powolutku pokazywały się już w XVI wieku, wyglądały profesjonalnie, ale z dokładnością było gorzej. Jak to cholerstwo wyregulować?
Ponownie popatrzono w niebo. Bo tak naprawdę pierwszym zegarem była nasza Ziemia. Uznano, że sekunda to 1/86400 średniej doby słonecznej. Tylko, że zmienna ta jest mocno zależna od kapryśnych obrotów Ziemi. Kombinowano też z przeliczeniem roku zwrotnikowego dla daty 1900 i wyszło 1/31 556 925,9747 roku
Stabilniejsze, ale trudne do praktycznego zastosowania.
Potrzebowano czegoś pokroju wzorca kilograma schowanego pod szklaną kopułą czy kawałka pręta służącego za przykład ile ma 1m. Oj kombinowali, poszukiwali, przeliczali i wreszcie zadano pytanie a może jest coś co trwa sekundę? I to było dobre pytanie!
W XIX wieku fizycy wiedzieli już, że pierwiastki pozostawiają charakterystyczne linie w widmie światła. Atomy nie emitują i nie pochłaniają dowolnych częstotliwości. Mają swoje charakterystyczne „podpisy”. W 1879 roku James Clerk Maxwell zwrócił uwagę na coś niezwykle ważnego dla metrologii. Atomy tego samego rodzaju mają identyczne właściwości. Nie trzeba więc przechowywać jednego konkretnego „wzorcowego atomu” w sejfie. „Jakiś” atom nonszalancko leżący w Warszawskim Głównym Urzędzie Miar (GUM) będzie się tak samo zachowywał „leżąc” w National Metrology Institute of Japan (NMIJ) czy będąc w piwnicy laboratorium Uniwersytetu Yale. To był dobry trop.
Na scenę wchodzi Isidor Isaac Rabi. W latach 30. XX wieku Rabi rozwinął metodę rezonansu magnetycznego wiązek molekularnych, która pozwalała niezwykle precyzyjnie badać stany energetyczne atomów i cząsteczek. W 1944 roku dostał za te badania Nagrodę Nobla. Rok później publicznie mówił już o możliwości wykorzystania takich zjawisk do odmierzania czasu. Niektórzy opisują nawet piękne ówczesne określenie tego pomysłu:
„kosmiczne wahadło” ukryte we wnętrzu atomu.
W 1948 roku zespół Harolda Lyonsa w amerykańskim National Bureau of Standards, uruchomił pierwszy zegar atomowy. Publicznie pokazano go w 1949 roku. Wykorzystano w nim cząsteczki amoniaku, NH₃.
Urządzenie przypominało wielką szafę albo lodówkę pełną elektroniki. Na górze zamontowano nawet zwyczajny zegar ze wskazówkami, żeby obserwatorzy wiedzieli, że ta ogromna aparatura jest… zegarem. Idea była rewolucyjna. Cząsteczki amoniaku poddawano działaniu mikrofal. Przy odpowiedniej częstotliwości pojawiał się rezonans. Naukowcy mogli wykorzystać tę charakterystyczną częstotliwość jako wzorzec, podobnie jak wcześniej wykorzystywali okres wahadła. To coś miało 23 900 000 000 cykli na sekundę.
Źródło ilustracji: NIST Archives Collection, National Institute of Standards and Technology.
Źródło ilustracji: AP / National Institute of Standards and Technology (NIST).
Słyszycie jak to brzmi? Aby obliczyć sekundę trzeba zmierzyć ile „cyknięć” będzie na sekundę! No dobra uprościłem i zniekształciłem ale koniec końców opracowaną ideę, która … była niedokładna … ale uznano, że ma potencjał.
Tak dochodzimy (po jeszcze kilku perypetiach) do CEZu. Małe toto, wredne (lubi wybuchać zwłaszcza z wodą i kwasami) ogólnie kłopotliwe w wydobyciu i obyciu. Jakby tego było mało trzeba go w wersji „odpalonej” czyli w formie izotopu. Padło na izotop Cez 133. Nie dlatego, że mu dobrze z gęby patrzy ale z faktu, że jest dość stabilny (emocjonalnie?), stosunkowo ciężki (ma coś wspólnego ze mną) a określone przejście pomiędzy poziomami energetycznymi można bardzo precyzyjnie pobudzać mikrofalami.
Wygląda też, że cez 133 jest stosunkowo łatwy do kontrolowania, a interesujące nas poziomy energetyczne są mało podatne na niektóre zakłócenia zewnętrzne. Amerykanie w 1952 roku dokonują pierwszego dokładnego pomiaru częstotliwości rezonansu cezu. Trzy lata później Louis Essen i Jack Parry z Brytyjskiego National Physical Laboratory, uruchamiają pierwszy cezowy zegar atomowy wystarczająco stabilny, żeby rzeczywiście służył jako wzorzec czasu. Podobno Louis Essen doskonale rozumiał, co właśnie się wydarzyło. W swoich wspomnieniach pisał, że zaprosił dyrektora NPL, aby był świadkiem: „śmierci sekundy astronomicznej i narodzin czasu atomowego”.
Stało się! 1 sekunda okazała się 10 miliardami „piknięć” cezu 133.
Louis Essen i Jack Parry rozpoczęli współpracę z astronomem Williamem Markowitzem z U.S. Naval Observatory. Markowitz wyznaczał sekundę astronomicznie, korzystając między innymi z obserwacji ruchu Księżyca. Robił wszystko, by wyznaczyć ją jak najdokładniej. Essen i Parry w tym samym czasie pytali swój cez: „Ty mały ile razy potrafisz zrobić to swoje kwantowe coś w ciągu sekundy?”
Panowie tak pytali CEZ od 1955 do 1958 roku wyszło im, że to 9 192 631 770.
Ta magiczna liczba to prawdziwy mokry sen każdego metrologa. Obudzicie takiego w nocy, czy dopadniecie poturbowanego przez ostry akademicki melanż to od razu Wam wyrecytują tą liczbę.
Tylko chwila. Przez cały czas bezczelnie piszę o „piknięciach”, „cyknięciach” i „kwantowym czymś”. Co tam właściwie pika? Bo jeżeli wyobrażacie sobie pojedynczy atom cezu, który siedzi w zegarze i 9 192 631 770 razy na sekundę robi:
pyk, pyk, pyk, pyk…
to niestety właśnie Was oszukałem. Atom cezu nie jest mikroskopijnym wahadełkiem. Musimy więc na chwilę wsadzić głowę do świata mechaniki kwantowej. Spokojnie. Tylko głowę. Butów nawet nie zdejmujemy. Postaram się zrobić wszystko tak by tej głowy Wam nie urwało a przynajmniej będę się starał.
Atom cezu 133 ma jądro, a wokół niego elektrony. Dla naszego zegara szczególnie interesujący jest najbardziej zewnętrzny elektron. Zarówno jądro atomowe, jak i elektron mają właściwość kwantową nazywaną spinem. Nie wyobrażajcie sobie jednak małych kuleczek naprawdę obracających się wokół własnej osi. To analogia, która bardzo szybko wpędzi nas w kłopoty. Wystarczy nam wiedzieć, że spin wiąże się z właściwościami magnetycznymi. Możemy więc, bardzo obrazowo, potraktować elektron i jądro jak dwa maleńkie magnesy kwantowe. Te „magnesy” oddziałują ze sobą. W zależności od ich wzajemnego ustawienia cały atom może mieć odrobinę inną energię. I właśnie tutaj pojawiają się nasze słynne dwa poziomy nadsubtelne stanu podstawowego cezu 133.
Nazwa brzmi jak zaklęcie pozwalające przywołać fizyka kwantowego, ale idea jest znacznie prostsza i nie ma w tym magii:
Atom może znajdować się w dwóch bardzo blisko siebie położonych stanach energetycznych. Skąd się wzięły? W ogromnym uproszczeniu z oddziaływania właściwości magnetycznych jądra i elektronu, tych naszych dwóch „kwantowych magnesików”. To właśnie nazywamy strukturą nadsubtelną.
Czyli żadnej magii. „Dwa poziomy nadsubtelne stanu podstawowego” oznaczają tutaj dwa niezwykle blisko siebie położone stany energetyczne atomu cezu 133. Różnica między nimi jest maleńka, ale co najważniejsze, bardzo dokładnie określona.
Żeby przenieść go z jednego do drugiego, trzeba dostarczyć mu bardzo konkretną porcję energii. A energia promieniowania elektromagnetycznego jest związana z jego częstotliwością. Tutaj pojawia się rezonans. Najprościej mówiąc, układ szczególnie mocno reaguje wtedy, kiedy trafimy w odpowiednią dla niego częstotliwość. Trochę jak z huśtawką: można ją rozpędzić niewielkimi pchnięciami, pod warunkiem że robimy to we właściwym rytmie.
Czyli, mówiąc absolutnie nienaukowo, atom podskakuje dźgany mikrofalowym widelcem. Tyle że nie możemy dźgać go byle jak. Nasz mikrofalowy widelec musi być idealnie nastrojony. Za niska częstotliwość? Cez nie reaguje. Za wysoka? Też nie zwraca na nas uwagi.
Trafiamy dokładnie w częstotliwość odpowiadającą różnicy energii pomiędzy tymi dwoma stanami? Pyk! Atom może przejść z jednego stanu do drugiego. I właśnie tę częstotliwość wykorzystujemy jako niezwykle precyzyjny wzorzec.
UWAGA: żebyście nie stracili głowy, uprościłem wszystko do maksimum. Cez oczywiście nie podskakuje dosłownie. Jeżeli czyta to ktoś z wydziału fizyki i właśnie dostał palpitacji, uspokajam: atom zmienia stan kwantowy. „Podskakiwanie” zostawmy na potrzeby naszej opowieści.
Zegar atomowy przestaje przypominać pół laboratorium, a zaczyna wyglądać jak solidny kawał aparatury elektronicznej. Urządzenia tej rodziny umożliwiły przenoszenie bardzo dokładnych wzorców czasu i porównywanie zegarów znajdujących się w różnych częściach świata.
Dzisiejsze komercyjne wzorce cezowe mogą mieścić się w obudowie przypominającej sprzęt serwerowy lub laboratoryjny. W środku nadal wykorzystujemy atomy jako niezwykle stabilny punkt odniesienia, ale elektronika, sterowanie i cała aparatura potrzebna do ich „przepytywania” stały się znacznie mniejsze.
Mikrofabrykowany pakiet fizyczny zegara atomowego opracowany przez NIST. Element widoczny na zdjęciu ma rozmiary porównywalne z ziarnem ryżu i zawiera między innymi miniaturową komórkę z parami cezu. Nie jest to jeszcze cały zegar na jednym chipie, lecz jego maleńkie atomowe serce. Od urządzenia zajmującego sporą część laboratorium do czegoś, co można zgubić na biurku.
I mamy wreszcie naszą sekundę.
Jedna sekunda to kilka tysięcy lat obserwacji i badań, tabun piekielnie mądrych ludzi oraz niepozorny, ale zadziorny kawałek metalu dźgany mikrofalowym widelcem. A wszystko po to, żebyście mogli przeczytać ten artykuł w około 20 minut. Czyli jakieś 1200 sekund. 11 031 158 124 000 „piknięć” cezu 133. Mniej więcej.
Bo przecież po tych dwudziestu minutach wypadałoby już wiedzieć, że sekunda jest krótka tylko wtedy, kiedy nie zna się jej historii.
Do następnego artykułu
Aleksander Marcin Sanetra