Obowiązuje zasada trzech zegarów. Porównujemy ich wskazania. Jeśli jeden chodzi inaczej niż dwa pozostałe, można wnioskować, że nie działa prawidłowo. Dobrze jest mieć jeszcze jeden zapasowy albo, tak jak w Obserwatorium Marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych (USNO) sto, jak to było w przypadku najdokładniejszych pomiarów czasu na świecie, kiedy wyciągano średnią ważoną ze stu urządzeń. Lepsze zegary miały większą wagę, gorsze mniejszą. Do dziś system ten tworzy najlepszą skalę czasu na świecie.

 
Dla większości z nas czas to coś, czego wciąż nam mało. Coś, co ucieka, choć przecież nie sposób go gonić. Czasem niezauważalnie mija, tak że trudno nam stwierdzić, ile go właściwie upłynęło. Istnieją jednak wyjątkowe miejsca, gdzie czas wypełnia cały czas i pochłania całą uwagę. Laboratorium Czasu i Częstotliwości, mieszczące się w Centrum Badań Kosmicznych PAN w Borówcu, to jedno z nich.

— Jak najprościej można by zacząć opowieść o pomiarach czasu?
Spróbujmy przystępną frazą: dawno dawno temu podstawą rachuby czasu były zjawiska astronomiczne: obrót Ziemi wokół wlasnej osi, jednostką czasu była doba. Przez wieki doskonalono sposoby jego pomiaru, ale my, chcąc opowiedzieć o znanych nam dziś metodach, wykonamy skok aż do okresu międzywojennego. Wtedy to skonstruowano pierwsze generatory kwarcowe i stwierdzono, że Ziemia kręci się dość nierówno. Trzeba było więc, na potrzeby nauki i współczesnej techniki, znaleźć dokładniejsze metody pomiaru. A wszystko zaczęło się od rozwoju radaru i wykorzystania mikrofal podczas drugiej wojny światowej.

 
— Najważniejsze narzędzie Pana pracy – zegar. Czym on właściwie jest?
Zacznijmy od tego, że czas potrzebuje ruchu harmonicznego, który można zliczać i z którego można tworzyć miarę czasu. Zegar to właściwie zjawisko fizyczne periodyczne, którego drgania możemy zliczać. Mając wahadło, potrzebujemy urządzenia, które zlicza jego ruchy i wyświetlacza wyniku, czyli np. tarczy zegara ze wskazówkami. W zegarkach na rękę rolę wahadła pełnił przed laty balans – oscylujące, pod wpływem sprężyny kółko, obecnie mamy generator kwarcowy. W zegarach atomowych sekundę definiują przejścia kwantowe atomów. Najdokładniejszymi dostępnymi dziś zegarami są fontanny cezowe. Na całym świecie jest ich około 12.

 
— Na czym polega ich działanie?
W komorze próżniowej znajduje się chmura atomów cezu, formowana za pomocą kwadrupolowego pola magnetycznego. W tę chmurę, z sześciu stron, strzelają lasery promieniowaniem podczerwonym. Bombardowane fotonami atomy zwalniają i tworzą chmurkę atomów o średnicy około 0.5 cm. Wówczas, pod wpływem kolejnych dwóch impulsów, chmurka jest wyrzucana w górę, tak jak woda w fontannie, zatrzymuje się i opada. Odpowiednia częstotliwość powoduje przejścia kwantowe atomów cezu w stan wzbudzony. Za pomocą laserów i pól magnetycznych dokonujemy selekcji atomów, które przeszły w ten stan. Część niewzbudzona zostaje wyeliminowana. Taka selecja odbywa się dwukrotnie – drugi raz podczas opadania atomów. Im więcej ich jest, tym bardziej świecą. Jeśli podaliśmy właściwą częstotliwość, to tych atomów jest dużo. Sekunda jest definiowana jako czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania atomu cezu.
Obecnie dysponujemy zegarami na Ziemi i orbicie wokół niej. Istnieją również próby wykorzystywania pulsarów jako zegarów. Pulsar to wirująca gwiazda neutronowa, która, bardzo stabilnie, jak latarnia, emituje wiązkę radiową. Byłoby wspaniale mieć taki zegar, który tykałby setki lat świetlnych od nas. Niestety, na razie jednak nic nie wskazuje na to, żeby zegary pulsarowe były bardziej stabilne niż atomowe.
 

— Czyli harmonia to podstawa dla czasu?
Podstawa to stabilność. Najstabilniejszym dostępnym nam punktem odniesienia są częstotliwości emitowane przez atomy w momencie, kiedy zmieniają one stan. Na jedną sekundę przypada 9 mld 192 mln drgań atomów cezu.

 
— Do czego potrzebny nam jest aż tak dokładny pomiar czasu?
Chociażby do systemu nawigacji samochodowej, z którego powszechnie korzystamy. Nawigacja satelitarna jest oparta o zestaw satelitów. Na każdym znajdują się cztery zegary atomowe. Satelita nawigacyjny podaje: jestem tutaj, jest ta godzina (czyli czas i pozycję). Odbieramy takie sygnały z czterech satelitów i tworzymy cztery równania liniowe. Mamy trzy niewiadome przestrzenne, a ponieważ wszystko się porusza, mamy również czwartą niewiadomą – czas. Rozwiązujemy równania i otrzymujemy konkretną pozycję na powierzchni Ziemi. Jeśli chodzi o znaczenie tego systemu dla nawigacji, jest to najważniejsze wydarzenie od czasu wynalezienia kompasu, który powstał około 1000 lat temu. Żeby sobie uświadomić, jak wielki krok poczyniliśmy, warto sobie uzmysłowić, że chcąc poznać pozycję samochodu na drodze z dokładnością do 5 m, zegar na satelicie musi mieć dokładność 15 nanosekund. Telefonia komórkowa czy sieci energetyczne – wszystko to wymaga niezwykle dokładnej synchronizacji w czasie.

— Z Pana opowieści wynika, że nasza cywilizacja funkcjonuje w dużej mierze w oparciu o czas.
Myślę, że można tak powiedzieć. Czas jest bardzo ważny.

— Szkoda. Mieliśmy nadzieję, że da się Pan namówić na jego małe cofnięcie.
Mógłbym nawet próbować oszukać o miliardowe części sekundy, ale przez to, że porównuję się z podobnymi laboratoriami na całym świecie, natychmiast zauważono by nasze machlojki.

___

Rozmowa z doktorem Jerzym Nawrockim z Obserwatorium Astrogeodynamicznego w Borówcu.