Po co ci zegarek?

Bardzo długo, bo aż do połowy XX wieku, wzorcem jednostki czasu był ułamek trwania pełnego obrotu Ziemi wokół własnej osi. W skrócie to doba. Jedna dwudziestaczwarta doby była godziną. Jedna sześćdziesiąta godziny to minuta, i tak dalej. O tym, że to bardzo niedoskonały wzorzec (Ziemia obraca się coraz wolniej, a więc coraz dłużej trwa godzina), wiedziano już trzy wieki temu, ale nikt nie miał pomysłu, jak na nowo zdefiniować godzinę. Sprawę rozwiązano pod koniec lat 60. XX wieku. Od 1967 r. definicja sekundy związana jest z drganiem pobudzonych atomów cezu.

Choć hasło „zegar atomowy” brzmi groźnie, co do zasady działa dokładnie tak samo jak każdy inny zegar. W każdym zegarze jest jakieś „wahadełko”. W zegarach mechanicznych jest nim zawieszony na długim pręcie obciążnik, a 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. Niezbędne jest też urządzenie, które te drgania zamienia na sekundy.
Jaka jest dokładność poszczególnych typów zegarów? Zastosowanie w zegarach mechanizmu wahadłowego spowodowało zwiększenie dokładności czasomierzy z 15 minut na dobę do około 1 minuty na tydzień. 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 kilka milionów lat. W planach są i takie, które mylą się nie więcej niż o sekundę raz na 32 miliardy lat! To dwa razy więcej niż wiek wszechświata!

Czas cię namierzy

Po co tak dokładnie mierzyć czas? Najważniejszym powodem jest to, że dzisiaj większość, a niebawem wszystkie wielkości w fizyce będą definiowane za pomocą jednostki czasu. Mała pomyłka na sekundzie powoduje, że nieścisły staje się praktycznie cały język fizyki. Dokładne zegary to także dokładna pozycja. W skład systemu globalnej lokalizacji wchodzą 24 satelity. Na każdej z nich jest 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, a więc naszego samochodu, zegarka czy telefonu komórkowego. Pozycja zostanie dokładnie wyznaczona, gdy zegary na satelitach będą pokazywały jednakowy czas. Różnice we wskazaniach zegarów dochodzące do kilkudziesięciu części na milion powodują niedokładność pomiaru pozycji o więcej niż 11 km na dobę! Dla porównania, dokładność systemu GPS dla celów cywilnych dochodzi do 4 m, a wojskowych jest dużo lepsza. A więc im precyzyjniej, tym lepiej.

Czy fizycy będą w nieskończoność dążyli do coraz dokładniejszego mierzenia czasu? W końcu dochodzi się do punktu, w którym dalsze „podkręcanie śruby” nie ma praktycznego sensu. Przeszkodą nie do przejścia są dwa zjawiska fizyczne: tzw. dylatacja czasu i wpływ pola grawitacyjnego na bieg czasu.