Ατομικά ρολόγια Καισίου και χρόνος UTC

Αρχή λειτουργίας των ρολογιών γενικά

Όλα τα ρολόγια ανεξάρτητα από τον μηχανισμό που διαθέτουν βασίζουν τη μέτρηση του χρόνου σε κάποιο περιοδικό φαινόμενο.

Τα πρώτα μεγάλα μηχανικά ρολόγια στα τέλη του μεσαίωνα χρησιμοποιούσαν μια οριζόντια ράβδο που έκανε περιστροφικές παλινδρομικές κινήσεις γύρω από κατακόρυφο άξονα που περνούσε από το μέσο της ράβδου, το λεγόμενο σύστημα verge and foliot. Σε κάθε παλινδρόμηση της ράβδου ένα γρανάζι μετακινούνταν κατά ένα βήμα. Έτσι η κίνηση του δείκτη (μόνο ωροδείκτης υπήρχε τότε) γίνονταν σε συγχρονισμό με την παλινδρομική κίνηση της ράβδου.

Τα ρολόγια με εκκρεμές βασίζονταν στις ταλαντώσεις του εκκρεμούς.

Τα κλασικά μηχανικά ρολόγια χεριού ή τσέπης ή ακόμα και τοίχου βασίζονται στις περιστροφικές ταλαντώσεις ενός τροχού, του λεγόμενου μπαλανσιέ.

Τα μοντέρνα ρολόγια quartz βασίζονται στις ταλαντώσεις ενός μικροσκοπικού διαπασών από χαλαζία (quartz). Κατά κανόνα το διαπασών ταλαντώνεται με συχνότητα 32.768Hz (=2¹⁵Hz). Ένα μικροτσίπ μετράει το πλήθος των ταλαντώσεων και κάθε 32.768 ταλαντώσεις μετράει 1 second.

Τα ατομικά ρολόγια βασίζονται σε μία ηλεκτρομαγνητική ταλάντωση (ακτινοβολία) που παράγεται από κάποιο είδος ατόμου, εξ’ ου και η ονομασία ατομικά. Η συχνότητα της ταλάντωσης είναι εξαιρετικά σταθερή, οπότε είναι ασύγκριτα πιο ακριβή ακόμα και από τα ρολόγια quartz.

Προς το παρόν τα ατομικά ρολόγια υπάρχουν μόνο σε επιστημονικά εργαστήρια. Μην ψάχνετε να τα βρείτε στην αγορά. Υπάρχουν όμως ρολόγια χεριού που συγχρονίζονται αυτόματα με το χρόνο που παράγεται στα επιστημονικά εργαστήρια. Το πώς διαβάστε το προς το τέλος του άρθρου.

Ατομικά ρολόγια Καισίου

Τα ατομικά ρολόγια Καισίου βασίζονται στην ακτινοβολία της υπέρλεπτης υφής του ισοτόπου του Καισίου ¹³³Cs.

Κατ’ αρχήν να εξηγήσω τι είναι η υπέρλεπτη υφή. Το spin του ηλεκτρονίου αλληλεπιδρά μαγνητικά με το spin του πυρήνα. Ως αποτέλεσμα εμφανίζεται μια ενέργεια αλληλεπίδρασης, θετική ή αρνητική, ανάλογα με το σχετικό προσανατολισμό των spin πυρήνα και ηλεκτρονίου. Τελικά η θεμελιώδης στάθμη του ατόμου διχάζεται σε δύο επιμέρους στάθμες μία με λίγο υψηλότερη ενέργεια από την αρχική και μία με λίγο χαμηλότερη.

Λόγω της σχετικά μεγάλης μάζας των νουκλεονίων, η μαγνητική ροπή του πυρήνα είναι 3 τάξεις μεγέθους μικρότερη από τη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου. Αντίστοιχα θα είναι μικρότερη κατά 3 τάξεις μεγέθους η απόσταση των ενεργειακών σταθμών της υπέρλεπτης υφής, σε σχέση με την απόσταση των επιπέδων της λεπτής υφής (που οφείλονται στην αλληλεπίδραση spin και τροχιάς των ηλεκτρονίων). Και αυτή πάλι είναι μερικές τάξεις μεγέθους μικρότερη από την απόσταση των συνηθισμένων σταθμών του ατόμου.

Λόγω της πολύ μικρής απόστασης των δύο σταθμών παράγεται ακτινοβολία σε συχνότητα πολύ μικρότερη του ορατού φωτός και συγκεκριμένα σε συχνότητα 9.192.631.770Hz, που είναι στην περιοχή των μικροκυμάτων.

Ο χρόνος αποδιέγερσης (άρα και η αβεβαιότητα Δτ της διάρκειας της ακτινοβολίας) είναι αντιστρόφως ανάλογος της τρίτης δύναμης της διαφοράς ενεργειών Ε₂-Ε₁ των δύο σταθμών. Η αβεβαιότητα της ενέργειας της ακτινοβολίας είναι ΔΕ≈h/Δτ. Άρα

ΔΕ∝(Ε₂-Ε₁)³.

Συνεπώς το σχετικό σφάλμα ΔΕ/(Ε₂-Ε₁)∝ (Ε₂-Ε₁)².

Επομένως όσο πιο μικρή είναι η ενεργειακή απόσταση των δύο σταθμών, τόσο πιο μικρό είναι το σχετικό σφάλμα ΔΕ/(Ε₂-Ε₁) της ενέργειας άρα και της συχνότητας.

Στα ατομικά ρολόγια Καισίου το σφάλμα δεν υπερβαίνει το 1s κάθε 100.000 χρόνια! Είναι λοιπόν τα ιδανικά πρότυπα για τον ορισμό των μονάδων χρόνου. Για το λόγο αυτό από το 1967 το sec ορίζεται με βάση το ατομικό ρολόι Καισίου. Συγκεκριμένα ορίζεται ως 1s ο χρόνος που χρειάζεται για 9.192.631.770 ταλαντώσεις της ακτινοβολίας της υπέρλεπτης υφής του ¹³³Cs.

Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα μετράει το πλήθος των ταλαντώσεων και κάθε 9.192.631.770 ταλαντώσεις μετράει 1s.

Τα ατομικά ρολόγια στο PTB στη Γερμανία (racks 1-3, στο κάτω μέρος, πάνω από τα τροφοδοτικά)

Το πρόβλημα με τα ατομικά ρολόγια και η λύση του: Διορθωτικά δευτερόλεπτα (leap seconds)

Η χρήση ρολογιών τέτοιας ακρίβειας απέδειξε ότι η περιστροφή της Γης γύρω από τον εαυτό της επιβραδύνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η περιστροφή της Γης να μένει πίσω σε σχέση με τα ατομικά ρολόγια.

Το πρόβλημα είναι ότι οι ανθρώπινες δραστηριότητες είναι συντονισμένες με την περιστροφή της Γης και την εναλλαγή ημέρας και νύχτας: Συνήθως σηκωνόμαστε το πρωί για να πάμε στη δουλειά μας και κοιμόμαστε το βράδυ. Αν η μέτρηση της ώρας βασιστεί στο ατομικό ρολόι, τότε μετά από πάρα πολλά χρόνια, όταν ξημερώνει τα ρολόγια μας θα δείχνουν μεσημέρι ή και απόγευμα! Αυτό είναι προφανώς ανεπιθύμητο.

Η λύση δόθηκε με τα διορθωτικά δευτερόλεπτα (leap seconds). Δηλαδή ο επίσημος χρόνος (περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω) παράγεται αφαιρώντας από τον ατομικό χρόνο έναν ορισμένο ακέραιο αριθμό δευτερολέπτων. Με το πέρασμα των χρόνων αφαιρούμε όλο και περισσότερα δευτερόλεπτα. Έτσι παράγεται μία χρονική κλίμακα που είναι συγχρονισμένη με την περιστροφή της Γης και το παραπάνω πρόβλημα εξαλείφεται.

Διεθνής ατομικός χρόνος (TAI) και χρόνος UTC

Για να πετύχουν ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια (!) κάνουν το εξής: Ο χρόνος από περισσότερα από 400 ατομικά ρολόγια σε πάνω από 50 επιστημονικά εργαστήρια σε διάφορα μέρη της Γης μεταφέρεται μέσω δορυφόρων στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στη Γαλλία, όπου υπολογίζεται ο μέσος όρος. Αυτός ο μέσος όρος ονομάζεται διεθνής ατομικός χρόνος (TAI) (ή Temps Atomique International). Η διαφορά κάθε ατομικού ρολογιού από τον ΤΑΙ δημοσιεύεται κάθε μήνα. Έτσι κάθε εργαστήριο γνωρίζει πόσο διαφέρει ο χρόνος του από τον ΤΑΙ και επομένως μπορεί να υπολογίσει τον ΤΑΙ.

Στη συνέχεια αφαιρώντας τα διορθωτικά δευτερόλεπτα που ισχύουν εκείνη τη χρονική περίοδο παράγουν το χρόνο UTC (Universal Time Coordinated). Ο πολιτικός χρόνος κάθε χώρας διαφέρει κατά μία ορισμένη τιμή από τον UTC, τις περισσότερες φορές έναν ακέραιο αριθμό ωρών. Π.χ. η ώρα Ελλάδας βρίσκεται 2 ώρες μπροστά από UTC την χειμερινή περίοδο και 3 ώρες μπροστά από UTC κατά τη θερινή περίοδο.

Τα διορθωτικά δευτερόλεπτα αυξάνονται κατά 1 συνήθως στο τέλος Ιουνίου ή στο τέλος Δεκεμβρίου. Για παράδειγμα το τελευταίο λεπτό του Ιουνίου 2015 είχε 61 δευτερόλεπτα αντί για 60, οπότε ο χρόνος UTC πήγε πίσω 1sec. Τα διορθωτικά δευτερόλεπτα ήταν μέχρι τότε 35 και αμέσως μετά έγιναν 36. Η επόμενη αλλαγή έχει προγραμματιστεί για το τέλος Δεκεμβρίου του 2016, οπότε τα διορθωτικά δευτερόλεπτα θα γίνουν 37. Η προσθήκη ενός επί πλέον διορθωτικού δευτερολέπτου γίνεται όταν η μέση ηλιακή μέρα μείνει πίσω σε σχέση με τον TAI κατά τουλάχιστον 0,7s.

Δείτε σχετικά εδώ, ή το αρχείο pdf: RELATIONSHIP BETWEEN TAI AND UTC

Ακριβής χρόνος για όλους

Σε διάφορα μέρη στη Γη υπάρχουν πομποί ραδιοκυμάτων που εκπέμπουν συνεχώς τον χρόνο UTC ή τον τοπικό χρόνο, σε ψηφιακή μορφή. Υπάρχουν ρολόγια που είναι σχεδιασμένα να λαμβάνουν σε ορισμένες χρονικές στιγμές το σήμα κάποιου τέτοιου πομπού και ρυθμίζουν μόνα τους την ώρα. Έτσι έχουμε πάντα απολύτως ακριβή χρόνο, χωρίς να χρειάζεται να ρυθμίσουμε το ρολόι μας.

Ο πλησιέστερος σε εμάς πομπός αυτού του είδους βρίσκεται στο Mainflingen της Γερμανίας, εκπέμπει σε συχνότητα φέροντος 77,5kHz και ονομάζεται DCF77. Τη νύχτα το σήμα του πομπού λαμβάνεται άνετα στην περιοχή μας.