Tykający laser

Od zarania cywilizacji ludzie odmierzali czas - początkowo wystarczała obserwacja pór roku, by określić termin wędrówek na nowe pastwiska czy zbliżających się zasiewów. Bardziej precyzyjne kalendarze znalazły zastosowanie do wyznaczania terminów świąt. Krótsze odstępy czasu można było odmierzać, obserwując ruch słońca (a z czasem ruch wskazówki - gnomonu - w zegarze słonecznym), klepsydrami wodnymi i piaskowymi czy świecami z naciętą podziałką.

Przełomem w pomiarach czasu było skonstruowanie pierwszych zegarów mechanicznych około XIV w. Ich dokładność znacznie wzrosła za sprawą ogłoszonej w 1714 r. przez brytyjski parlament "Longitude Prize" (dosł.: "Nagrody Długości Geograficznej") - 20 tysięcy funtów miało trafić do konstruktora urządzenia, które myliłoby się mniej niż 2 minuty podczas rejsu z Wielkiej Brytanii do Indii Zachodnich. Powód był czysto praktyczny - dokładne zegary były niezbędne do nawigacji na oceanach. Mechaniczny zegar z wahadłem dziś jest raczej ozdobą, choć zaawansowane konstrukcje wciąż się produkuje, a niektóre z nich osiągają dokładność rzędu jednej sekundy na rok.

Kolejnym przełomem było skonstruowanie w latach 20. ubiegłego wieku zegara kwarcowego, w którym odpowiednio wycięty kryształ kwarcu jest pobudzany do drgań przy pomocy impulsów elektrycznych. Układ elektroniczny dzieli wysoką częstość rezonatora kwarcowego przez kilkadziesiąt tysięcy, tak by wyświetlać kolejne sekundy, minuty i godziny. Pierwszy zegar atomowy skonstruowano w National Physics Laboratory w Wielkiej Brytanii w grupie Louisa Essena w 1955 r. i od tej pory zegary takie są najdokładniejszymi, powszechnie używanymi wzorcami czasu. Współczesny zegar atomowy ma wielkość kuchenki mikrofalowej, a jego cena nie przyprawia o zawrót głowy.

Coraz szybciej

Każdy zegar, czy to na kościelnej wieży, wbudowany w telefon komórkowy, czy atomowy wzorzec czasu Głównego Urzędu Miar, posiada trzy zasadnicze elementy. Po pierwsze, potrzebne jest zjawisko, które zachodzi okresowo. Czy będą to wschody słońca, czy regularny ruch wahadła, drgania kryształka kwarcu, czy oscylacje pola elektromagnetycznego pochłanianego przez atomy cezu, w każdym zegarze wykorzystuje się periodyczne zmiany, które można zaobserwować i policzyć. Po drugie, potrzebny jest mechanizm zliczający: kapłan wychodzący co rano na świątynny dziedziniec, współpracujące poprzez wychwyt z wahadłem koła zębate czy wyrafinowane układy elektroniczne. Wreszcie, trzeba czas odczytać. Tu można spoglądać na nacięcia wyryte w pniu drzewa, wskazówki przesuwające się na tle zegarowej tarczy albo ciekłokrystaliczny wyświetlacz.

Postęp w coraz dokładniejszym odmierzaniu czasu dokonywał się dzięki temu, że potrafiliśmy zaprząc do pracy zjawiska o coraz krótszym okresie periodycznych zmian: od dni w kalendarzu, przez sekundy w mechanicznych chronometrach, tysięczne części sekundy w zegarach elektronicznych, po miliardowe części sekundy w zegarach atomowych pracujących na częstościach z tzw. zakresu radiowego. Skoro zmniejszanie okresu (czyli zwiększanie częstotliwości) wykorzystywanych w zegarach oscylatorów prowadzi wprost do pomiarów czasu z większą dokładnością, to dlaczego nie pójść dalej? Mamy wszak znakomitych kandydatów na powtarzalne z niezwykłą dokładnością, łatwo dostępne wzorce częstości o częstościach tysiące i miliony razy większych niż te obecnie używane. To atomy, pochłaniające i emitujące światło o dokładnie określonych barwach, a więc i częstościach.

Na przeszkodzie stał do niedawna brak odpowiedniej "przekładni": możemy co prawda zmuszać atomy do świecenia na wybranych częstościach, ale są to drgania tak szybkie, że bezpośrednie zliczanie kolejnych cykli jest, i zapewne jeszcze długo pozostanie, poza zasięgiem jakichkolwiek układów elektronicznych. W latach 90. próbowano rozwiązać zagadnienie przeniesienia częstości z zakresu optycznego do domeny dostępnej ówczesnej elektronice przy pomocy tzw. łańcuchów częstości (frequency chains) - optoelektronicznych odpowiedników przekładni zębatych. Ale były one tak złożone, że na całym świecie powstało ich zaledwie kilka.

Rozwiązanie przyszło dość niespodziewanie z zupełnie innej dziedziny - technologii laserów wytwarzających ultrakrótkie impulsy światła (zobacz także "TP" 23/09). Okazuje się, że częstość przychodzenia impulsów laserowych, którą można łatwo mierzyć układami elektronicznymi, daje się stosunkowo prosto (tak to przynajmniej wygląda dziś, kiedy już wiemy, jak to zrobić) związać z częstościami optycznymi z zakresu widzialnego. W ten sposób mieszczący się na stole laser może doskonale zastąpić owe łańcuchy częstości, które zajmują całe laboratoria, w roli kół zębatych przenoszących oscylacje z dziedziny dostępnej pomiarom elektronicznym do częstości fal świetlnych (i na odwrót). Za prace, które doprowadziły do zastosowania stabilizowanych laserów impulsowych - tak zwanych optycznych grzebieni częstości - w ultraprecyzyjnych pomiarach czasu i częstości John L. Hall i Theodor W. Hansch zostali w 2005 r. uhonorowani Nagrodą Nobla z fizyki.

Ile czasu ma metr

Czy coraz dokładniejsze pomiary czasu są jedynie wyścigiem żądnych bicia rekordów dokładności naukowców? Każdy, kto korzystał z systemu nawigacji GPS, polegał, świadomie lub nie, na dokładności zegarów atomowych, umieszczonych na satelitach i naziemnych stacjach przekaźnikowych.

Dokładne pomiary częstości odkrywają również przed nami zupełnie nowe horyzonty: dzięki porównaniu wskazań dwóch zegarów opartych na różnych atomach (np. rtęci i cezu) możemy wyznaczać niezwykle precyzyjnie niektóre stałe fizyczne, na przykład bardzo ważną stałą struktury subtelnej, która odpowiada za procesy oddziaływania światła z materią. Niektóre teorie sugerują, że stałe fizyczne nie są wcale stałe, lecz zmieniają się powoli w czasie. A skoro tak, to w początkach wszechświata mogły one mieć zupełnie inne wartości, niż te znane nam dziś. Gdyby dokładne pomiary wykazały, że stałe rzeczywiście nie są stałe, wpłynęłoby to fundamentalnie na nasze rozumienie wielu procesów we wszechświecie, w tym jego powstania i początków.

Jeszcze 45 lat temu sekunda zdefiniowana była na podstawie obserwacji astronomicznych jako ułamek tak zwanego roku zwrotnikowego. Od 1967 r., zgodnie z definicją przyjętą przez Generalną Konferencję Miar, jedna sekunda to czas trwania 9 192 631 770 okresów drgań promieniowania odpowiadającego przejściu pomiędzy dwoma poziomami nadsubtelnymi w stanie podstawowym atomu cezu 133.

W dodatku, ponieważ czas potrafimy obecnie mierzyć z największą dokładnością, zrezygnowano z pieczołowicie przechowywanych w różnych laboratoriach platynowych liniałów i od 1983 r. metr został zdefiniowany jako odległość, jaką przebywa światło w próżni w czasie 1/299792458 sekundy.

Najprawdopodobniej za kilka, góra kilkanaście lat będziemy świadkami kolejnej zmiany wzorca sekundy, tym razem na wzorzec optyczny - prace nad optycznymi zegarami atomowymi trwają w wielu wiodących laboratoriach na świecie.

W Polsce, w ramach współpracy Krajowego Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (FAMO), w zeszłym roku rozpoczęły się prace nad budową prototypowego optycznego zegara atomowego wykorzystującego świecenie atomów strontu. Zadania badawcze zostały podzielone między trzy zespoły: grupa z Uniwersytetu Jagiellońskiego konstruuje pułapkę, w której uwięzione będą świecące atomy, zespół z Torunia opracowuje referencyjny laser z dokładnie stabilizowaną częstością, zaś w Warszawskim Laboratorium Procesów Ultraszybkich Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW powstaje optyczny grzebień częstości.

Wszystko wskazuje na to, że dzięki najlepszym w kraju grupom fizyki atomowej i optyki już wkrótce będziemy mieć do dyspozycji niezbędną wiedzę i technologie, by pewnego dnia na nowo zdefiniować podstawowe dla każdego z nas jednostki czasu i długości.

Dr PIOTR WASYLCZYK jest adiunktem na Wydziale Fizyki UW. Pracuje w Laboratorium Procesów Ultraszybkich w grupie prof. Czesława Radzewicza, głównie nad wytwarzaniem, pomiarami i zastosowaniami ultrakrótkich impulsów laserowych. Był stażystą Oxfordu,jest stypendystą Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.