Myślisz, że wiesz, jak się mierzy czas? I dobrze wiesz, co to jest sekunda? Najdokładniejszy zegar w Polsce może Cię zaskoczyć. Mieści się w Toruniu – dwa piętra pod ziemią.

To nie jest zegar idealny – w końcu i on zacznie się spóźniać. Obliczono, że pierwszą sekundę „zgubi” za jakieś 31 milionów lat. A na razie jest najdokładniejszym zegarem, według którego można ustawiać wszystkie inne czasomierze. Jak działa?

Żeby się tego dowiedzieć, trzeba dosłownie zejść pod ziemię – zegar mieści się w czterech pokojach, na drugim podziemnym piętrze przy wydziale fizyki UMK.

- Zacznijmy może od zwykłego zegara – rozpoczyna wyjaśnianie dr Marcin Bober z UMK. - Weźmy taki z wahadłem: nie musi się ono wahać dokładnie co sekundę, ale ma jakiś stały cykl, stały okres oscylacji. Daje wzorzec częstotliwości. Ale samo wahadło jeszcze nic nie daje – potrzebny jest jakiś mechanizm, który te wahnięcia przełoży na sekundy i uruchomi wskazówki. Optyczny zegar atomowy, oczywiście w wielkim uproszczeniu, działa podobnie.

Z tą różnicą, ze zamiast wahadła mamy atomy strontu i laser. Jak to działa? Na początek minipowtórka z fizyki: wokół jąder atomu krążą elektrony, a każdy z nich znajduje się na tak zwanej powłoce (to kolejne uproszczenie, w rzeczywistości te elektrony przypominają raczej chmurę, ale powłoki bardziej trafiają do wyobraźni). Elektron nie może przeskoczyć z jednej powłoki na drugą, dopóki coś go nie wzbudzi – nie dostarczy odpowiedniej energii.

Tym czymś jest laser. Jeśli dopasujemy częstotliwość lasera tak, by „przepchnął” elektron - wzbudzimy atom. Dla fizyków to wzbudzenie to znak: aha, częstotliwość jest ok!

[ZT]2450[/ZT]

Częstotliwość jest tu słowem-kluczem: ma być jak najdokładniejsza. To ona jest naszym wahadłem. Żeby więc zegar atomowy był dobry, trzeba wybrać odpowiednie atomy. Toruńscy fizycy uznali, że najlepsze będą atomy strontu.

Atomy muszą być dobrze przygotowane. Żeby złapać je w pułapkę, specjaliści potrzebują aż dwóch pomieszczeń (proces jest wieloetapowy). Atomy podgrzewa się do temperatury ok. 500 stopni. Problem w tym, że tak rozgrzane, pędzą z prędkością ok. 500 metrów na sekundę, trzeba więc je spowolnić. Robi się to, bombardując je fotonami. Skutecznie – w niewielkim cylindrze o długości ok. 30 cm atomy zwalniają prędkość ok. dwudziestokrotnie.

Łapie się je więc w specjalne pułapki (w ultrawysokiej próżni, żeby maksymalnie je schłodzić i odizolować). W czasie tego procesu sprawdza się, czy laser jest ustawiony na dobrą częstotliwość – czyli czy wzbudzi atomy. Ale takie sprawdzanie powoduje, że atomy uciekają z pułapki, więc trzeba je ponownie schłodzić...

Przygotowany musi być też laser. - Jest ultrastabilny – wyjaśnia dr Bober. - Tak stabilny, jak odległość pomiędzy dwoma specjalnymi zwierciadłami, które są ustawiane z dokładnością równą jądru atomu. Znajduje się w układzie próżniowym, bo próżnia świetnie izoluje. Do tego stabilizacja termiczna i zabezpieczenie przed wibracjami.

Laser stoi na ziemi – gdyby nie to, wszystkie wahania budynku byłyby doskonale widoczne. Podobno tego typu układy we Francji są w stanie wyłapać np. fale Atlantyku bijące o wybrzeże.

No dobrze: laser działa idealnie, ma stałą częstotliwość. Czyli - mamy odpowiednik wahadła. A gdzie wskazówki?

Do tego służy kolejne pomieszczenie. Mieści się w nim tzw. optyczny grzebień częstotliwości. To urządzenie, które pozwala przełożyć częstotliwość lasera na fale radiowe. Pozwala też porównać, jak się ma tą częstotliwość do wzorca sekundy.

Po co to wszystko? W tej chwili mierzymy sekundy za pomocą zegarów atomowych. Ale naukowcy uważają, że optyczne zegary atomowe są bardziej stabilne i dokładne. - Definicja sekundy zmieni się pewnie w ciągu najbliższych 10 lat – uważa dr Bober. - Takie układy jak nasz zegar pozwalają na pomiary bardzo subtelnych rzeczy.

Fizycy sprawdzają więc, czy stałe, o których wierzymy, ze są stałe, rzeczywiście takie są? Tego typu zegary przydają się też w astronomii, w nawigacji satelitarnej. Taka dokładność jest tez upragniona w geodezji – dzięki optycznym zegarom atomowym nawigacja byłaby możliwa co do milimetrów. Można też wybieg myślą nieco dalej - gdybyśmy chcieli lecieć na Plutona, taki zegar przydałby się też do nawigacji kosmicznej!