Czas na nowo zdefiniować czas?

W laboratorium położonym u podnóża Gór Skalistych, pośród labiryntu soczewek, luster i innych urządzeń optycznych przymocowanych do odpornego na wibracje stołu, aż do sufitu wznosi się aparatura w kształcie komina. Podczas mojej ostatniej wizyty srebrzysta rura zawierała chmurę tysięcy przechłodzonych atomów cezu, które wystrzelono w górę za pomocą laserów, a następnie pozwolono im opadać powoli w dół. Z każdym cyklem maser – działający na tej samej zasadzie jak laser, lecz w zakresie mikrofal – uderzał w te atomy, wyrzucając elektrony z ich zewnętrznych powłok do innego stanu energetycznego.

Urządzenie to, zwane cezowym zegarem fontannowym, było w trakcie dwutygodniowych pomiarów prowadzonych w ośrodku badawczym National Institute of Standards and Technology (NIST) w Boulder w stanie Kolorado. Znajdujące się wewnątrz detektory mierzyły fale emitowane przez atomy powracające do stanu pierwotnego. Atomy dokonują takich przejść, pochłaniając określoną ilość energii, a następnie emitując ją w postaci określonej częstotliwości światła, co oznacza, że fale świetlne zawsze osiągają szczyt amplitudy w niezawodnie regularnym rytmie. Ten rytm zapewnia naturalne odniesienie czasowe, które naukowcy mogą określić z niezwykłą precyzją.

Powtarzając proces fontannowy setki tysięcy razy, urządzenie coraz bardziej przybliża się do dokładnej częstotliwości przejścia atomów cezu. Jakkolwiek pod względem technicznym jest to zegar, fontanna cezowa nie pokazuje godziny. „Ten instrument nie śledzi czasu – mówi Vladislav Gerginov, starszy badacz w NIST nadzorujący ten zegar. – To częstotliwość referencyjna – jak w kamertonie”. Dostrajając wiązkę światła do tej częstotliwości rezonansowej, metrolodzy mogą „realizować czas”, jak sami to nazywają, zliczając oscylacje fali świetlnej.

Sygnał z tego kamertonu – około dziewięciu gigaherców – służy do kalibracji około 18 mniejszych zegarów atomowych w NIST, które działają 24 godziny na dobę. Umieszczone komorach o kontrolowanej temperaturze i wilgotności, zegary te utrzymują oficjalny czas dla Stanów Zjednoczonych, który jest porównywany z analogicznymi wynikami pomiarów w innych krajach w celu ustalenia uniwersalnego czasu koordynowanego (UTC).

Gerginov, ubrany swobodnie w kraciastą koszulę z krótkim rękawem i adidasy, opowiadał o instrumencie z dumą. Niedawno wymienił wnękę mikrofalową zegara, miedziane przejście w środku rury, gdzie atomy wchodzą w interakcję z maserem. Wkrótce zostanie on nazwany NIST-F4 jako nowy główny zegar referencyjny dla Stanów Zjednoczonych. „To będzie podstawowy standard częstotliwości – mówi Gerginov, spoglądając na metalową fontannę, wysoką na metr komorę próżniową z czterema warstwami ekranowania magnetycznego ze stopu niklu i żelaza. – Dopóki nie zmieni się definicja sekundy”.

Od 1967 roku sekunda jest definiowana jako czas trwania 9 192 631 770 okresów dla częstotliwości rezonansowej cezu. Innymi słowy, gdy zewnętrzny elektron atomu cezu powraca do niższego stanu i emituje światło, 9 192 631 770 okresów jego fali świetlnej wyznacza jedną sekundę. „Można myśleć o atomie jak o wahadle – mówi John Kitching, badacz z NIST. – Sprawiamy, że atomy oscylują ze swoją naturalną częstotliwością rezonansową. Każdy atom cezu jest taki sam, a częstotliwość ta się nie zmienia. Wynika z fundamentalnych stałych. Właśnie dlatego zegary atomowe są obecnie najlepszym narzędziem do odmierzania czasu”.

Jednak zegary cezowe nie są już najdokładniejszymi dostępnymi zegarami. W ciągu ostatnich pięciu lat najbardziej zaawansowane zegary atomowe na świecie przekroczyły kolejną granicę i stały się o ponad dwa rzędy wielkości dokładniejsze niż najlepsze zegary cezowe. Te nowsze instrumenty, zwane zegarami optycznymi, wykorzystują inne pierwiastki, takie jak stront lub iterb, w których przejścia odpowiadają znacznie wyższym częstotliwościom. Emitują światło w zakresie optycznym, w przeciwieństwie do promieniowania mikrofalowego emitowanego przez cez, co pozwala efektywnie podzielić sekundę na około 50 000 razy więcej „tyknięć” niż z użyciem zegara cezowego.

Fakt, że zegary optyczne prześcignęły wcześniejsze zegary atomowe, stworzył coś na kształt paradygmatu. Nowe zegary mogą mierzyć czas dokładniej niż zegar cezowy, ale to zegary cezowe definiują czas. Długość jednej sekundy jest nieodłącznie związana z częstotliwością przejścia cezu. Zanim nie dokonamy redefinicji, nic nie może być dokładniejszą sekundą, ponieważ przyjęliśmy, że sekunda to 9 192 631 770 okresów dla częstotliwości rezonansowej cezu.

Ten problem jest powodem, dla którego wielu naukowców uważa, że nadszedł czas na nową definicję sekundy. W 2024 roku zespół zadaniowy powołany przez Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) z główną siedzibą w Sèvres we Francji opublikował mapę drogową, która ustalała kryteria redefinicji sekundy. Przewidują one, że nowy standard jest mierzony przez co najmniej trzy różne zegary w różnych instytucjach, że pomiary te są rutynowo porównywane ze wskazaniami z innych typów zegarów oraz że laboratoria na całym świecie będą w stanie zbudować własne zegary do pomiaru częstotliwości docelowej. Jeśli w ciągu najbliższych dwóch lat poczynione zostaną wystarczające postępy w zakresie tych kryteriów, zmiana definicji sekundy może nastąpić już w 2030 roku.

Jednak obecnie nie wszyscy opowiadają się za zdefiniowaniem na nowo sekundy. Po pierwsze, nie przyniesie to wyraźnych bezpośrednich korzyści. Dzisiejsze zegary cezowe są wystarczająco dokładne na potrzeby większości praktycznych zastosowań – w tym synchronizacji satelitów GPS, na których wszyscy polegamy. Zawsze będzie można później poprawić dokładność sekundy, jeśli pojawią się nowe wynalazki wymagające doskonalszego pomiaru czasu. „Dzisiaj tak naprawdę nie odniesiemy żadnych korzyści z natychmiastowej zmiany” – mówi Nils Huntemann, naukowiec z Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), federalnego instytutu metrologii w Niemczech. Po drugie, redefinicja sekundy również nie byłaby sprawą prostą – naukowcy musieliby wybrać nowy standard spośród wielu zaawansowanych zegarów atomowych, jakie obecnie istnieją, a ulepszenia są wprowadzane przez cały czas. Czym powinni się kierować przy wyborze?

Niezależnie od wszelkich komplikacji, niektórzy fizycy uważają za swój obowiązek korzystanie z najlepszych dostępnych zegarów. „To po prostu kwestia fundamentalnych zasad – mówi Elizabeth Donley, szefowa działu czasu i częstotliwości w NIST. – Chodzi o zapewnienie najlepszych pomiarów, jakie są technicznie możliwe”.

Pierwsze zegary na świecie zostały wynalezione tysiące lat temu, kiedy wczesne ludzkie cywilizacje skonstruowały urządzenia, które śledziły pozorny ruch Słońca, co pozwoliło podzielić dzień na interwały. Najwcześniejsze wersje zegarów słonecznych zostały wykonane przez starożytnych Egipcjan około 1500 roku p.n.e. Później zegary wodne, których zaczęli używać Egipcjanie i nazwane przez starożytnych Greków klepsydrami, co oznacza „złodziei wody”, mierzyły upływ czasu na podstawie ilości wody wypływającej z naczyń z przebitym otworem w dnie. Były to prawdopodobnie pierwsze instrumenty mierzące czas niezależnie od ruchów ciał niebieskich. Mechaniczne zegary napędzane ciężarkami, które zadebiutowały w średniowiecznych europejskich kościołach, tykały w stałym tempie, prowadząc do współczesnej 24-godzinnej doby. Bicie w dzwony oznaczające pełną godzinę dało nawet angielskie słowo „clock” (zegar), które ma swoje korzenie w łacińskim clocca, oznaczającym „dzwon”.

W miarę jak zegary mechaniczne stawały się coraz precyzyjniejsze, szczególnie wraz z rozwojem zegara wahadłowego w połowie XVII wieku, czasomierze zaczęły dzielić godzinę na minuty i sekundy. (Po raz pierwszy zastosowane do miar kątowych, słowo „minuta” pochodzi od łacińskiego prima minuta, oznaczającego „pierwszą małą część”, a „sekunda” od secunda minuta, „druga mała część”). Przez wieki miasta utrzymywały własne lokalne zegary, dostosowując je okresowo tak, aby wybicie południa następowało dokładnie wtedy, gdy zegar słoneczny wskazywał południe. Dopiero w XIX wieku, gdy odległe stacje kolejowe musiały utrzymywać skoordynowane rozkłady jazdy pociągów, ustanowiono strefy czasowe i ustandaryzowano odmierzanie czasu na całym świecie.

Zegary radykalnie udoskonalono w XX wieku po tym, jak francuscy fizycy, bracia Jacques i Pierre Curie, odkryli, że przyłożenie prądu elektrycznego do kryształu kwarcu wprawia go w drgania o stabilnej częstotliwości. Pierwszy zegar wykorzystujący oscylator kwarcowy został zbudowany przez Warrena Marrisona i Josepha Hortona z Bell Laboratories w 1927 roku. Zegar ten przepuszczał prąd przez kwarc i używał obwodu rezonansowego do obniżania wynikowej częstotliwości do wystarczająco małej wartości, aby napędzać silnik synchroniczny, który sterował wskazówkami zegara. Obecnie każdego roku produkuje się miliardy zegarów kwarcowych do zegarków na rękę, urządzeń mobilnych, komputerów i innych urządzeń elektronicznych.

Kluczowa innowacja, która doprowadziła do powstania zegarów atomowych, pochodziła od amerykańskiego fizyka Isidora Isaaca Rabiego z Columbia University [urodzonego w Rymanowie], który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1944 roku za opracowanie sposobu precyzyjnego pomiaru częstotliwości rezonansowych atomów. Jego technika, zwana metodą rezonansu magnetycznego wiązki molekularnej, polegała na precyzyjnym dostrojeniu częstotliwości radiowej w celu spowodowania przejść stanów kwantowych atomów. W 1939 roku Rabi zasugerował możliwość wykorzystania tej metody do budowy zegara, a w następnym roku jego współpracownicy w Columbia University zastosowali jego technikę do określenia częstotliwości rezonansowej cezu.

Pierwiastek ten był postrzegany jako idealny atom odniesienia do pomiaru czasu. Jest to miękki, srebrzysty metal, który jest płynny w temperaturze zbliżonej do pokojowej, podobnie jak rtęć. Atom cezu jest stosunkowo ciężki, co oznacza, że porusza się wolniej niż atomy lżejszych pierwiastków, a zatem jest łatwiejszy do obserwowania. Jego częstotliwość rezonansowa jest również wyższa niż w przypadku innych ówczesnych kandydatów na zegar, jak rubid i wodór, co oznacza, że ma potencjał do stworzenia bardziej precyzyjnego standardu czasu. Te właściwości ostatecznie zapewniły cezowi rolę definiowania sekundy prawie 40 lat później.

Pierwszy zegar atomowy nie był wszakże zegarem cezowym. W 1949 roku Harold Lyons, fizyk z National Bureau of Standards (NBS), poprzednika NIST, zbudował zegar atomowy oparty na metodzie rezonansu magnetycznego Rabiego z wykorzystaniem cząsteczek amoniaku. Wyglądał niczym szafa komputerowa z szeregiem mierników i pokręteł, zatem podczas publicznej demonstracji Lyons przymocował od góry tarczę zegarową, aby pokazać, że jego maszyna jest tak naprawdę zegarem. Ten pierwszy zegar atomowy nie dorównywał jednak precyzją najlepszym zegarom kwarcowym tamtych czasów, a z amoniaku zrezygnowano, gdy stało się jasne, że zegary cezowe dają lepsze wyniki.

Zarówno NBS, jak i National Physical Laboratory (NPL) w Wielkiej Brytanii zbudowały zegary oparte na wiązce cezu w latach 50. ubiegłego wieku. Kluczowy przełom nastąpił dzięki Normanowi Ramseyowi, fizykowi z Harvard University, który odkrył, że możliwe jest ulepszenie pomiarów poprzez zastosowanie dwóch impulsów mikrofal zamiast jednego do wywołania przejść atomowych. Zegary cezowe rozwijane były przez resztę stulecia i wraz z zegarami atomowymi wykorzystującymi inne pierwiastki stawały się coraz bardziej precyzyjne i kompaktowe.

W tamtym czasie sekunda była definiowana na podstawie czasu astronomicznego. Znana jako sekunda efemerydalna, w 1900 roku była równa 1/31 556 925,9747 roku zwrotnikowego (czas, jakiego potrzebuje Słońce na powrót do tej samej pozycji na sferze niebieskiej). W latach 1955–1958 naukowcy z NPL porównali wskazania ich zegara cezowego z sekundą efemerydalną wyznaczoną poprzez śledzenie pozycji Księżyca w odniesieniu do gwiazd tła. W sierpniu 1958 roku sekunda została wyliczona jako 9 192 631 770 okresów dla częstotliwości przejścia cezu – tej właśnie liczby użyto w nowej definicji dziewięć lat później.

Od tego czasu zegary atomowe nadal były udoskonalane, szczególnie dzięki skonstruowaniu cezowych zegarów fontannowych w latach 80. Ale w 2006 roku nowsze zegary przewyższyły je precyzją.

Oprócz zegarów w nist jedne z najbardziej zaawansowanych czasomierzy na świecie można znaleźć na University of Colorado Boulder przy tej samej ulicy w innym laboratorium przesuwającym granicę w zakresie pomiaru czasu. JILA, wspólne przedsięwzięcie NIST i Uniwersytetu, mieści cztery „zegary sieci optycznej”, które są jednymi ze światowych rekordzistów pod względem dokładności (wcześniej laboratorium nosiło nazwę Joint Institute for Laboratory Astrophysics, a obecnie znane jest pod swoim akronimem).

Te najnowocześniejsze instrumenty znajdują się w dużych prostopadłościennych skrzyniach z przesuwanymi drzwiczkami pełniącymi jednocześnie funkcję tablic suchościeralnych, z których każda pokryta jest równaniami i diagramami. Komponenty migocą w półmroku laboratorium, gdy lasery i urządzenia odczytujące pulsują światłem.

Każdy z zegarów działa na zasadzie skierowania na siebie dwóch wiązek laserowych w celu utworzenia wzoru interferencyjnego zwanego siecią optyczną z obszarami o wysokiej i niskiej intensywności. Chmury tysięcy obojętnych atomów strontu w kształcie naleśnika zostają uwięzione w częściach siatki o wysokiej intensywności i utrzymywane w miejscu.

Następnie inny laser doprowadza do przejścia elektronowego w atomach, przesuwając zewnętrzne elektrony o cały poziom orbitalny. Jest to bardziej radykalne przejście niż w przypadku atomów cezu, gdzie elektrony przeskakują tylko o jeden poziom „nadsubtelny”. Ale podobnie jak w zegarze cezowym detektory rejestrują fotony emitowane wtedy, gdy elektrony powracają do stanu pierwotnego, aby potwierdzić, że laser ma odpowiednią częstotliwość do wywołania przeskoku elektronów. W porównaniu z przejściem w cezie, które zachodzi przy mniej więcej 9 mld Hz, przejście w stroncie wymaga znacznie wyższej częstotliwości: 429 228 004 229 873,65 Hz.

Każdy z czterech zegarów w laboratorium służy innemu celowi, mierząc interakcje między atomami lub efekty otoczenia – takie jak grawitacja, wahania temperatury lub niekontrolowane pola elektromagnetyczne – starając się zmniejszyć wpływ tych źródeł niedokładności. Zegary optyczne są tak czułe, że najmniejsze zakłócenie, nawet trzaśnięcie drzwiami w pobliżu, powoduje przesunięcie docelowej częstotliwości przejścia.

Kluczowym czynnikiem ograniczającym w zegarze sieci optycznej jest promieniowanie ciała doskonale czarnego, mówi Jun Ye, główny badacz w laboratorium JILA. Promieniowanie to jest energią cieplną emitowaną przez dowolne ciało fizyczne wyłącznie wskutek jego temperatury. Aby skompensować ten efekt, Ye i jego zespół zbudowali nowy system regulacji termicznej wewnątrz komory próżniowej jednego z zegarów – „dość heroiczny wysiłek”, który Ye przypisuje swoim studentom. Pozwoliło to zmierzyć częstotliwość przejścia strontu z systematycznym błędem wynoszącym 8,1 × 10^–19, co jest najdokładniejszym pomiarem zegarowym, jaki kiedykolwiek wykonano. Ten strontowy zegar sieci optycznej i inne, zbliżone modele, są obecnie jednymi z głównych kandydatów do redefinicji sekundy.

Inni główni pretendenci noszą nazwę zegarów jednojonowych. Ich najlepsze przykłady można znaleźć w NIST i niemieckim laboratorium PTB. Działanie tego typu zegara polega na zawieszeniu pojedynczego naładowanego jonu (w tym przypadku atomu z usuniętym jednym lub kilkoma elektronami, aby wykazywał ładunek dodatni) w pułapce pola elektromagnetycznego, a następnie wywołaniu przejścia atomowego za pomocą lasera. Obecnie najdokładniejszy z tych zegarów wykorzystuje jon glinu.

Jak mówi Huntemann, zegary jednojonowe eliminują szumy, które sieci świetlne wprowadzają do systemu, i „generalnie są mniej wrażliwe na pola zewnętrzne”, w tym pola występujące w eksperymencie, a także w środowisku. Zegary sieci optycznej analizują jednak tysiące atomów jednocześnie, co zwiększa ich dokładność.

Huntemann bada sposoby na jednoczesne uwięzienie i pomiar więcej niż jednego typu jonów, takich jak jony strontu i iterbu, w tym samym zegarze. Takie podejście pozwoliłoby naukowcom na jednoczesne badanie dwóch różnych przejść atomowych, a sam zegar byłby w stanie szybciej uśredniać pomiary częstotliwości – choć nie tak szybko, jak zegar sieci optycznej.

Zegary jonowe i zegary sieci optycznej wymieniały się rekordami dokładności przez ostatnie dwie dekady. Wykazały nawet, że czas płynie szybciej na większych wysokościach – co wynika z ogólnej teorii względności Einsteina, która przewiduje, że czas dylatuje, czyli rozciąga się w pobliżu dużych mas (w tym przypadku Ziemi). W eksperymencie przeprowadzonym w 2022 roku składowe strontowego zegara sieci optycznej w JILA oddzielone zaledwie milimetrem wysokości zmierzyły różnicę czasu rzędu 0,0000000000000000001 (10^–19). To maleńkie odchylenie byłoby zbyt małe do wykrycia przez zegar cezowy.

Jeśli naukowcy postanowią zdefiniować na nowo sekundę, muszą zdecydować nie tylko, którego zegara użyć, lecz także, którego przejścia atomowego – atomów strontu, jonów itru lub glinu – bądź czegoś innego. Jednym z możliwych rozwiązań jest oparcie definicji nie na jednym przejściu atomowym, ale na średniej wszystkich przejść z różnych typów zegarów sieci optycznej. Jeśli zespół zegarów, każdy z własną wagą statystyczną, zostanie użyty do redefinicji sekundy, wówczas przyszłe zegary mogą zostać w razie potrzeby dodane do definicji.

W ubiegłym roku Ye i jego zespół zademonstrowali wykonalność zegara jądrowego opartego na torze. Ten typ zegara wykorzystuje przejście jądrowe – zmianę stanu kwantowego jąder atomowych – zamiast przejścia elektronowego. Ponieważ jądra atomowe są mniej wrażliwe na zakłócenia zewnętrzne niż elektrony, zegary jądrowe mogą stać się jeszcze dokładniejsze niż zegary sieci optycznej, gdy technika ta zostanie udoskonalona.

Jeśli sekunda nie zostanie zdefiniowana na nowo w 2030 roku, naukowcy mogą spróbować to zrobić ponownie w 2034 i 2038 roku na kolejnych dwóch spotkaniach Generalnej Konferencji Miar i Wag. Nowa definicja nie zmieni wiele, jeśli w ogóle, dla większości ludzi, lecz ostatecznie i nieuchronnie doprowadzi do postępu technicznego. Naukowcy już marzą o takich zastosowaniach, jak kwantowe sieci komunikacyjne lub zmodernizowane satelity GPS, które byłyby w stanie podać dowolną lokalizację na Ziemi z dokładnością do centymetra. Inne zastosowania dopiero zaczynamy sobie wyobrażać.

Poprzez zwiększenie precyzji zegarów naukowcy osiągną coś więcej niż tylko zdefiniowanie na nowo czasu – będą w stanie na nowo zdefiniować naszą wiedzę o Wszechświecie. Superczułe zegary, które mogą wykrywać drobne zmiany w upływie czasu – jak pokazano w eksperymencie z dylatacją czasu – mogą posłużyć do wykrywania fal grawitacyjnych, które przechodzą przez Ziemię w następstwie potężnych kataklizmów w kosmosie. Umożliwiając zmapowanie grawitacyjnych odkształceń czasoprzestrzeni precyzyjniej niż kiedykolwiek, takie zegary mogą być również wykorzystywane do badania ciemnej materii – brakującej masy uważanej za wszechobecną w kosmosie – a także do badania interakcji grawitacji z teorią kwantów.

Takie przedsięwzięcia mogłyby nawet zmienić nasze pojmowanie czasu jako takiego – który zawsze był bardziej skomplikowanym pojęciem w fizyce niż w życiu codziennym. „Prawa klasyczne zasadniczo mówią, że nie ma żadnej naturalnej różnicy między przeszłością a przyszłością ani żadnego naturalnego ukierunkowania łańcucha przyczyn od przeszłości do przyszłości” – mówi Jenann Ismael, filozof nauki z Johns Hopkins University.

W każdym razie teraz, gdy dysponujemy zegarami, które prześcignęły dosłowną definicję sekundy, wielu naukowców twierdzi, że dalsza droga jest oczywista – powinniśmy zmodyfikować definicję czasu po prostu dlatego, że potrafimy to zrobić. „Podobnie jak w przypadku każdej nowej idei w nauce, nawet jeśli nie jest do końca jasne, kto potrzebuje precyzyjniejszego pomiaru, kiedy taki pomiar stanie się dostępny, wtedy znajdzie się dla niego odpowiednie zastosowanie” – mówi Patrizia Tavella, dyrektor wydziału czasu w BIPM, instytucji, która zawiaduje Międzynarodowym Układem Jednostek Miar. „Możemy zrobić to lepiej – mówi o aktualnej definicji sekundy. – Zatem zróbmy to lepiej”.