Zegar Atomowy – Utrzymanie Światowego Tykania

Utrzymanie Światowego Tykania

 

Kiedy większość ludzi  myśli o cyfrowej epoce i jej komputerach, satelitach i telefonach komórkowych, w większości ludzkich umysłów pojawiają się silikonowe chipy.  Mimo niewątpliwej doniosłości wszystkich wynalazków, należy wspomnieć o zegarze atomowym, bez którego wiele z technologii, które odbieramy jako oczywiste, nie mogłyby istnieć. 

Pierwszy zegar atomowy został wynaleziony w 1955 przez urodzonego w Wielkiej Brytanii Dr Louisa Essena, który podczas II Wojny Światowej pracował nad wysokiej częstotliwosci radarem. Doprowadziło to do wynalezienia rezonansowego miernika częstotliwości, który z powodzeniem wykorzystywany był do mierzenia prędkosci światła.  

Używając tej samej technologii opracował on pierwszy dokładny zegar atomowy w 1955 w Fizycznym Narodowym Laboratorium w Wielkiej Brytanii. Opierał się on na rezonansie atomu cezu.

Zgodnie z teorią kwantową, atomy mogą istnieć jedynie w określonych kwantowych stanach energetycznych w zależności od ordbit elektronu wokół ich jądra atomowego. Zegar cezowy działa poprzez wystawianie atomów na działanie mikrofal, dopóki nie oscylują w jednej z rezonansowych częstotliwości. Odkryto, że atom cezu będzie rezonować z częstotliwością 9 192 631 770 herców (razy na sekundę).

Z powodu tej dokładności w rezonansie i wysokiej liczby oscylacji zegarów atomowych (nawiązującej niekiedy do oscylatorów cezu) są one wyjątkowo dokładne.  O ile pierwsze urządzenie Essena było dokładne co do sekundy na tysiac lat, to następna generacja zegarów atomowych jest dokładna na tyle, że nie straci sekundy nawet przez kilkaset milionów lat.

Z powodu dużych problemów z dokładnością, które pojawiły się w sposobie strukturyzacji skali czasu, tradycyjny GMT (Uniwersalny Czas Greenwich) został wzorcem tego czasu. GMT opiera się na zasadzie, że Słońce jest w zenicie w samo południe (bądź nad południkiem Greenwich). Niestety dokładność zegarów atomowych okazała się dokładniejsza od samej kuli ziemskiej, która często opóźnia się w związku z grawitacyjnymi właściwościami księżyca.   

Jeśli nic nie zostałoby z tym zrobione, Międzynarodowy Czas Atomowy (TAI – czas podawany przez zegary atomowe) mógłby dryfować bez synchronizacji GMT i  koniec końców noc okazałaby się dniem (choćby to miało być w przeciągu kilku tysiącleci).

Uniwersalny czas koordynowany (UTC) został ustanowiony aby temu zapobiec. Jest oparty na TAI ale uwzględnia spowolnienia rotacji Ziemi poprzez sporadyczne dodawanie „przestępnych sekund”, których od 1970 było 33.

Zegary atomowe są kluczowe dla sieci telekomunikacyjnych. Transfery danych oraz informacji głosowych, które muszą obiegać świat w plikach z dokładnie określonym czasem , powinny być dokładnie oznaczone , ponieważ prawidłowe oznaczenie czas jest jedyną wartością pozwalającą na ich rozpakowanie. 

Dzięki zegarom atomowym możliwa jest komunikacja satelitarna, ponieważ prędkość światła jest tak szybka (900,000 km na sekundę), że najdrobniejsze odchylenie w czasie mogłoby spowodować znaczne różnice. Globalny System Nawigacji Satelitarnej (GNSS) jak i GPS (System Nawigacji Satelitarnej) są ściśle związane z zegarem atomowym, ponieważ sygnał czasu jest dokładnie tym, czego odbiornik GPS używa do określania położenia.

Dzięki zegarom atomowym i takim urządzeniom jak serwer NTP (Protokół Synchronizacji Czasu), który poprzez odbiornik radiowy lub GPS zapewnia zegarowi atomowemu sygnał synchronizacji czasowej i umożliwia sieci komputerowej  synchronizację komputerów z czasem UTC. Dzięki technologie takie jak ta, umożliwiają dokonywanie transakcje elektroniczne w przeciągu 5 nanosekund.  Bez takich technologii nie byłby możliwe działania na giełdzie, kupowanie biletów lotniczych a nawet aukcje internetowe. 

 

Paweł Piontek jest specjalistą i autorem tekstów w dziedzinie zegarów atomowych, telekomunikacji, NTP oraz sieciowej synchronizacji czasu (serwer ntp). Pracuje w zakresie rozwoju zegarów dedykowanych NTP.