Frekvenca X

Atomske ure so super natančne in super uporabne

Ura 16:9
Foto: nataliej (Flickr)

Malokdo se zaveda, da sodobni način življenja iz ozadja tiho usmerjajo supernatančne atomske ure, ki so eden najbolj izjemnih dosežkov znanosti in tehnologije. Tako natančno, kot znamo danes meriti čas, verjetno ne zmoremo izmeriti skoraj ničesar drugega.

Revolucija v izdelavi izjemno točnih ur se je začela v drugi polovici prejšnjega stoletja, ko so znanstveniki odkrili, kako je mogoče ob pomoči atomov izredno natančno meriti čas. Leta 1955 je britanski fizik Louis Essen izdelal prvo zanesljivo atomsko uro, ki je zamujala samo eno sekundo na 300 let.

Seveda so kmalu potem atomske ure s svojo nepremagljivo točnostjo postane nov standard v merjenju časa. Naš svet je začel utripati v ritmu atomov. Pri atomskih urah so vlogo mehaničnih nihal, ki odštevajo čas v običajnih urah, prevzeli elektroni, ki v enakomernih časovnih utripih spreminjajo položaj v atomu. Z merjenjem tega plesa elektronov je mogoče osupljivo natančno določiti tiktakanje časa.

Leta 1967 so tako znanstveniki na novo opredelili sekundo kot 9.192.631.770 period sevanja, ki ustrezajo prehodu med hiperfinima ravnema osnovnega stanja atoma cezij-133«. V naslednjih desetletjih so neutrudno izboljševali natančnost atomske ure. Ta se dandanes zmoti samo za kakšno sekundo na reci in piši nekaj milijonov let.

Srce sodobnih atomskih ur so cezijevi atomi, ohlajeni na supernizko temperaturo. In njihova natančnost res ni od muh. Trenutno najbolj točna ura na svetu, imenuje se NPL CsF2, je v britanskem Nacionalnem fizikalnem laboratoriju na robu Londona in se zmoti za manj kot sekundo v nepredstavljivih 138 milijonih let. Zdi se prav neverjetno, da lahko znanstveniki dandanes zgradijo tako točno in dovršeno napravo.

Kakih 200 podobno natančnih atomskih ur v 50 različnih državah skupaj določa mednarodni atomski čas, na podlagi katerega poteka koordinirani univerzalni čas, ki se uporablja za civilno merjenje časa. Kadar koli si nastavite uro, ki vam prehiteva, nazaj na pravilen čas, ki ga predvajajo na primer po radiu, vedite, da ta izvira iz atomskih ur.

Izjemna natančnost sodobnih atomskih ur ni samo lepotnega pomena, ampak je bistvena za brezhibno delovanje našega sveta. Na te ure se zanašajo delovanje interneta, sistemov GPS, oddajanje radijskih in televizijskih valov, bančne transakcije in še kaj bi se našlo. Brez popolnoma točnih ur današnji način življenja tako rekoč ne bi bil možen.

A čeprav so raziskovalci z atomskimi urami dosegli zavidljivo stopnjo natančnosti, nikakor niso prenehali iskati in izdelovati še boljših in točnejših. Leta 2001 so v ameriškem Nacionalnem institutu standardov in tehnologije razvili tako imenovane optične atomske ure, ki so še natančnejše od klasičnih cezijevih atomskih ur. Pravzaprav je supernatančne zanje preskromna beseda.

Ultrasupernatančne optične atomske ure bi lahko namreč podrle vse meje v predstavah o tem, kako točno lahko izmerimo čas. Leta 2010 so isti raziskovalci zgradili prototip optične ure, ki zaostaja ali pridobi le sekundo na osupljivih 3,7 milijarde let. Če bi tako uro zagnali ob začetku vesolja oziroma ob velikem poku, bi do danes zamujala samo 4 sekunde.

Strokovnjaki napovedujejo, da bodo optične ure v naslednjih letih nadomestile trenutne atomske, čeprav si navadni ljudje verjetno težko predstavljajo, zakaj bi potrebovali ure, ki zamujajo le sekundo na nekaj milijard let, ko pa že imamo take, ki zamujajo sekundo na sto milijonov let. Ampak tudi optične atomske ure niso zadnja domislica merilcev časa. Zadnja leta se pojavljajo ideje o še boljših urah. Med take sodijo tako imenovane jedrske in kvantne ure.

Leta 2011 so ameriški fiziki s tehnološkega inštituta v Georgiji izračunali, da bi jedrska ura na podlagi elementa torija zamujala samo sekundo v 200 milijardah let. Pri tem se že poraja vprašanje, ali bo naše vesolje sploh obstajalo toliko časa. Vsekakor se nam torej ni treba bati, da bi zaradi nenatančnih ur v življenju lahko izgubili kakšno sekundo.

INTERVJU:
Prof. Patrick Gill je eden najbolj vrhunskih časomerilcev na svetu. Dela v britanskem laboratoriju za fiziko, kjer skrbi tudi za eno najbolj natančnih super atomskih ur na planetu.

Prof. Patrick Gill. Foto: NPL

Profesor Gill, kje na svetu trenutno tiktaka najbolj točna atomska ura in kako natančna je?

Situacija je trenutno takšna, da določeno število t. i. nacionalnih standardnih laboratorijev v različnih državah upravlja set najnatančnejših atomskih ur. To so t.i. fontanske cezijeve atomske ure. Zdaj  jih deluje okrog sedem ali osem, nameščene pa so v ZDA, Veliki Britaniji, Franciji, Nemčiji, Italiji in Japonski. Poleg teh ur imajo v mnogih državah še druge, manj natančne atomske ure. Te fontanske cezijeve atomske ure smo razvijali zadnjih 20 let in najboljše lahko merijo čas z zaostankom ene sekunde na 60 milijonov let ali več.

Bi bilo sodobno življenje sploh mogoče brez teh super ur? Zakaj je pomembno, da ura zaostane samo za eno sekundo na nekaj milijonov let?

Da, ena sekunda na 60 milijonov let res ni čas, ki bi se nas dotikal, saj nas zanimajo mnogo krajši intervali – na primer  en dan. Vendar pa obstajajo aplikacije, ki se zanašajo na takšno natančnost. Na najosnovnejšm koncu denimo želiva vedeti, koliko je ura, vendar samo do kakšne minute natančno. Malo večjo natančnost potrebujejo v športu, za kako milisekundo. Še višje so finančne institucije, saj želijo pri borznem poslovanju veliko točnost. Potem je pomembna natančnost pri distribuciji električne energije – to je zahteven časovni problem, zato so pomembne  mikrosekunde. Še dlje pa so satelitska navigacija in naprave v avtomobilih ali telefonih  – zanašajo se na atomske ure v satelitih. Najvišjo natančnost pri merjenju časa pa potrebujejo v visoki znanosti, recimo v sodobni astronomiji, kozmologiji in drugih temeljnih znanstvenih vedah.

Kako zahtevno pa je narediti takšno atomsko uro in koliko približno stane?

Manj natančne atomske ure je mogoče tudi kupiti, za recimo kakih deset tisoč dolarjev. Kupiti je mogoče tudi atomske ure velikosti kosa mila. Če pa govorimo o vrhunskih primarnih standardih, se pravi fontanskih cezijevih atomskih urah – te so  visoke približno 2 metra, v njih sta ultra vakuum in oblak cezijevih atomov, ki so z laserji ohlajeni na okrog -273 stopinj.

Znanstveniki bi radi naredili še natančnejše atomske ure. Kako natančne ure pa je mogoče narediti oziroma kakšne super ure bomo imeli v prihodnosti. In zakaj potrebujemo še natančnejše ure? Ali je res pomembno zaostajanje za eno sekundo v nekaj deset milijonih let ali v nekaj sto milijonih let?

Da, človeku na ulici za to ni mar, v visoki znanosti – kozmologiji, osnovni fiziki in podbno pa je pomembno, izboljšanje natančnosti pri merjenju časa. Torej je to uporabno za visoko znanost, vendar pa ljudje vedno najdejo tudi način za  prilagoditev za bolj tehnološke potrebe. Dober primer tega iz preteklosti je nastanek globalnega navigacijskega sistema GPS, ki so ga  omogočile atomske ure. Kar zadeva izboljšanje natančnosti, pa bi lahko točnost atomskih ure s pomočjo laserske tehnologije trenutno izboljšali še za okrog 100-krat.