Kwestia czasu

Nie chodzi oczywiście o pomiar czasu w takich skalach, jakich my używamy. Godziny, minuty czy nawet sekundy to dla wielu procesów fizycznych okresy wręcz abstrakcyjnie długie. Pomiar tych interwałów nie jest od wielu, wielu lat żadnym technologicznym wyzwaniem. Gdyby w całej historii chodziło tylko o to, żeby się nie spóźniać i żeby zegarki na naszych rękach wskazywały dokładną godzinę, w zasadzie nie byłoby żadnego wyścigu. Wyścigu technologicznego, kto dokładniej zmierzy czas. Tymczasem ten wyścig trwa.

Dlaczego ważne?

Dokładny pomiar czasu jest niezwykle istotny przynajmniej z trzech powodów. Po pierwsze, coraz więcej jednostek takich jak np. metr, amper (jednostka natężenia prądu) czy kandela (jednostka natężenia światła) jest określanych za pomocą jednostki czasu. Niewielka pomyłka przy pomiarze sekundy ma gigantyczne konsekwencje dla całej nauki. I tak np. od 1983 roku wzorcem metra nie jest już metalowy pręt, tylko odległość, jaką światło pokonuje w próżni w czasie 1/299 792 458 s. Dokładny pomiar sekundy pozwala więc dokładnie określić długość metra. A metr jest jedną z podstawowych jednostek układu SI. Gdy więc mówimy, że samochód porusza się z prędkością 100 km/h, nawet dla dziecka jasne jest, że w ciągu godziny (a więc 3600 sekund) pokonujemy 100 kilometrów (to odległość, jaką światło pokonuje w 1/2997 sekundy). Dla fizyka takie proste stwierdzenie pokazuje, jak istotny jest dokładny pomiar czasu. A metry to tylko początek.

Wielkości fizycznych zależnych od sekundy jest bardzo dużo. Dokładna sekunda to nie tylko gwarancja tego, że język nauk ścisłych będzie uniwersalny. Dokładne zegary to także dokładna pozycja i sprawnie działająca sieć. I to jest drugi powód, dla którego wyścig z czasem, a dokładniej rzecz ujmując: wyścig o to, żeby czas liczyć możliwie precyzyjnie, trwa w najlepsze. Systemy satelitarne i całkiem sporo urządzeń naziemnych mogą sprawnie działać dlatego, że wiemy, jak budować dokładne zegary. W skład systemu globalnej lokalizacji GPS wchodzą 24 satelity. Na każdej z nich znajduje się jeden zegar atomowy. System określa położenie odbiornika przez porównanie czasu dotarcia do niego sygnału radiowego wysyłanego z pokładu kilku satelitów. Prędkość fali radiowej jest znana, a więc mierząc czas, można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Znając położenie satelitów, można określić pozycję odbiornika – samochodu, zegarka czy telefonu komórkowego. Pozycja zostanie dokładnie wyznaczona wtedy, gdy zegary na satelitach będą pokazywały jednakowy czas. Różnice we wskazaniach zegarów dochodzące do kilkudziesięciu części miliona powodują niedokładność pomiaru pozycji o więcej niż 11 km na dobę! Na taką niedokładność nikt nie może sobie pozwolić. I to szczególnie w czasach, w których (lada moment) zaczniemy się przesiadać do samochodów prowadzonych nie przez kierowcę, a przez komputer czerpiący informacje o położeniu z systemów lokalizacji satelitarnej. Tych systemów jest kilka, ale wszystkie działają na identycznej zasadzie. Dzięki danym satelitarnym w powietrzu mogą latać samoloty i drony. Ale bardzo dokładny czas niezbędny jest także w wielu innych dziedzinach przemysłu i gospodarki. Sieć internetowa bez precyzyjnego określenia czasu nie może funkcjonować.

Ciemny zegar

Pomiar czasu okazał się w ostatnich latach potrzebny do jeszcze czegoś. Naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu dzięki dokładnym zegarom poszukują w kosmosie ciemnej materii. To materia, której nie widzimy, choć wiemy, że jest i że ma masę. Skąd to możemy wiedzieć? Ano stąd, że widzimy efekty jej działania. Z tych obserwacji wynika, że ciemnej materii jest w kosmosie znacznie, znacznie więcej niż materii, jaką znamy. Ta nam znana zbudowana jest z atomów, a te z protonów, neutronów i elektronów. Ta materia buduje nas, planety, księżyce i gwiazdy. Nie wiadomo, co tworzy ani z czego się składa ciemna materia. Nie wiemy, czy jest rozłożona równomiernie w przestrzeni (jak ziarnka piasku na plaży), czy jest pogrupowana w większe struktury (jak np. planety). To, że tego wszystkiego nie wiemy, nie jest nawet jakimś zasadniczym problemem (choć to nieco irytujące, że w XXI wieku nie mamy pojęcia, z czego składa się większość kosmosu). Znacznie większym kłopotem jest to, że nie mamy pojęcia, jak ciemną materię łapać, jak ją badać. Jednym z pomysłów jest dokładny pomiar czasu. Tylko co czas ma wspólnego z materią?

Czas biegnie nieco inaczej w zależności od siły grawitacji. Im większa grawitacja, tym czas wolniej płynie. W pobliżu czarnej dziury czas zwalnia zasadniczo. Z kolei daleko od jakiegokolwiek źródła grawitacji pędzi szybciej. Grawitacja związana jest z kolei z masą, bo to ona jest źródłem grawitacji. Mocno upraszczając temat, można powiedzieć, że bardzo dokładnie mierząc czas, możemy się przyglądać, czy przypadkiem gdzieś w naszym otoczeniu nie pojawiają się zaburzenia związane z istnieniem ciemnej materii. Jeżeli ciemna materia istnieje, jeżeli pojawiają się związane z nią zaburzenia, jeżeli przechodzą one przez Ziemię, niezwykle precyzyjny zegar może je wykryć. Przy przejściu przez planetę takiego zaburzenia zegar zacznie trochę inaczej „tykać”. To przejście zaburzenia – przyznaję, brzmi dość abstrakcyjnie – w istocie oznacza, że w niektórych miejscach prawa fizyki działają inaczej. Inne też powinny być niektóre stałe fizyczne. Gdyby okazało się, że rzeczywiście toruńskim naukowcom udało się zarejestrować choć chwilowe wahnięcie stałych fizycznych, otworzyliby drzwi do zupełnie nowej fizyki. To byłaby rewolucja i rewelacja nawet nie do kwadratu, tylko do setnej potęgi.

Te badania na razie są prowadzone w pewnym sensie pilotażowo. Celem naukowców jest budowa sieci optycznych zegarów atomowych na całym świecie. Gdyby taka sieć powstała, łatwiej byłoby wyłapywać zaburzenia pochodzące od ciemnej materii. Na razie badacze próbnie analizują wskazania różnych zegarów z ośrodków na całym globie. W ten sposób chcą opracować protokoły wymiany danych i synchronizacji zegarów w przyszłych badaniach.

Aż tak dokładnie?

Zegary atomowe nie są dzisiaj najdokładniejszymi ze znanych nam zegarów. Jeszcze dokładniejsze oparte są na pulsarach, czyli obiektach astronomicznych wysyłających bardzo regularne impulsy promieniowania. Te impulsy są w pewnym sensie wahadłem zegara. O zegarach pulsarowych pisaliśmy już w „Gościu”. Wahadła potrzebuje każdy zegar, niezależnie od tego, jaką ma konstrukcję. W zegarach wahadłowych wahadłem jest zawieszony na długim pręcie (lince) obciążnik, w zegarach kwarcowych – drgający (pod wpływem przyłożonego napięcia) kryształ kwarcu. W zegarze atomowym wahadłem (oscylatorem) są atomy cezu, które pochłaniają promieniowanie o ściśle określonej częstotliwości. Różnica pomiędzy poszczególnymi typami zegarów ogranicza się właściwie do odmiennych typów „wahadeł”. Reszta urządzenia działa podobnie. Regularne wahnięcia muszą być przeliczone na upływ czasu. I choć urządzenie „przeliczające” jest ważną częścią każdego zegara, o dokładności czasomierza świadczy dokładność „wahadła”. Jaka jest dokładność tych najprecyzyjniejszych zegarów?

Dobry zegarek kwarcowy (taki noszony na ręce) gubi (lub dodaje) jedną sekundę na kilkadziesiąt lat. Dokładność zegarów atomowych jest bez porównania lepsza. One mylą się o sekundę raz na kilkadziesiąt milionów lat. A co z zegarami pulsarowymi? Gdyby taki zegar włączyć w chwili powstania wszechświata, 14 miliardów lat temu, do dzisiaj nie zgubiłby ani jednej sekundy. To może robić wrażenie. Ale nie jest ostatnim słowem w wyścigu o czas. A w zasadzie o jego pomiar. •

„Sonda 2”, niedziela 21 stycznia, godz. 9.40.