W Polsce uruchomiono jeden z najdokładniejszych zegarów atomowych – fontannę cezową

Zegar atomowy – fontanna cezowa. Źródło: NPL

Ten zegar nie przyspieszy ani nie spóźni się nawet o sekundę przez co najmniej 100 mln lat. Pod Poznaniem naukowcy uruchomili ultradokładny czasomierz działający w oparciu o chmurę atomów cezu.

Jeden z najdokładniejszych na świecie zegarów rozpoczął właśnie pracę w Laboratorium Czasu i Częstotliwości Centrum Badań Kosmicznych PAN w Borówcu pod Poznaniem. Zbudowali go polscy naukowcy we współpracy z zespołem Narodowego Laboratorium Fizycznego (National Physical Laboratory – NPL) w Wielkiej Brytanii. Budową czasomierza kierował dr Krzysztof Szymaniec, wybitny specjalista w dziedzinie atomowych wzorców częstotliwości.

Dokładność tego urządzenia jest niesamowita. Zegar może pomylić się o 1 sekundę po 158 mln lat! A trzeba wiedzieć, że precyzyjny pomiar czasu to nie lada sztuka. W kilkunastu najlepszych laboratoriach świecie działają precyzyjne zegary atomowe, których wskazania są uśredniane pod okiem Międzynarodowego Biura Miar i Wag w Sèvres pod Paryżem. Tak powstaje międzynarodowa skala czasu atomowego TAI i UTC. Do szacownego grona laboratoriów współtworzących wzorzec czasu dołączyło laboratorium w Borówcu. To również jedyny polski ośrodek, który działa w ramach europejskiego satelitarnego systemu lokalizacji Galileo (a którego istotnym elementem jest precyzyjne wyznaczanie czasu).

Co to jest „fontanna cezowa” i dlaczego precyzyjnie wyznacza upływ czasu?

W ultraprecyzyjnym czasomierzu zamknięta w komorze próżniowej chmura atomów cezu jest podrzucana ku górze niczym woda w fontannie. Gdy opada, naukowcy kierują na nią promieniowanie mikrofalowe.

Fontanna cezowa po zainstalowaniu w CBK PAN w Borówcu. Źródło: CBK PAN

O to, w jaki sposób atomy cezu mogą odmierzać czas, zapytaliśmy Piotra Dunsta z Laboratorium Czasu i Częstotliwości CBK PAN w Borówcu, który współtworzył ten unikalny czasomierz.

„Cezowa fontanna atomowa jest pierwotnym wzorcem jednostki czas układu SI – sekundy. W Polsce ta aparatura jest najdokładniejszą realizacją oficjalnej definicji sekundy. Zawdzięcza to użyciu m. in. zimnych atomów, które chłodzone są laserami – wbrew pierwszemu przypuszczeniu, że świecąc na coś laserem, możemy jedynie dostarczać energii, czyli podgrzewać. Jeśli jednak lasera użyje się w odpowiedni sposób, dzięki przeciwlegle biegnącym wiązkom można wytracać energię kinetyczną atomów.

Zimne atomy to wolno poruszające się atomy, a takie mogą dłużej oddziaływać z polem mikrofalowym o częstotliwości 9 192 631 770 Hz. Właśnie ten dłuższy czas interakcji z polem mikrofalowym pozwala nam precyzyjnie generować wspomnianą częstotliwość 9 192 631 770 Hz, a przenosząc to na sygnały czasu, 1 sekundę”.

Dodajmy jeszcze, że interakcja atomów cezu z promieniowaniem mikrofalowym wspomnianej wyżej częstotliwości powoduje świecenie tych atomów. Cała sztuka polega na tym, żeby dostroić mikrofale do rezonansowej częstotliwości wywołującej interakcję z jak największą liczbą atomów cezu.