Otwórz schowek Brak ulubionych odcinków
Mierzenie czasu - po co nam ekstremalnie dokładne zegary? | dr Albin Czubla, dr inż. Maciej Gruszczyński

Mierzenie czasu – po co nam ekstremalnie dokładne zegary? | dr Albin Czubla, dr inż. Maciej Gruszczyński

Nr 188
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Nr 188
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Zobacz notatnik z odcinka
Mężczyzna w średnim wieku, brunet z krótkimi włosami, patrzy z uśmiechem w obiektyw. W tle komputery

dr Albin Czubla

Zastępca dyrektora Zakładu Czasu i Długości w Głównym Urzędzie Miar. Specjalista od metrologii czasu i częstotliwości.

Mężczyzna po trzydziestce, z zarostem w okularach o ciemnych oprawkach. Patrzy z uśmiechem w kierunku obiektywu, za nim komputery

dr inż. Maciej Gruszczyński

Kierownik Laboratorium Nowych Technologii Czasu i Długości w Głównym Urzędzie Miar.

Śródmieście, Warszawa. W budynku przy Elektoralnej znajdują się cztery zegary atomowe na bazie cezu i dwa masery wodorowe. To też zegary atomowe, ale wykorzystujące wodór i stabilne wiązki mikrofalowe. Dzięki tym urządzeniom wiemy w Polsce, o której wstać do pracy, ile spóźnił się pociąg i kiedy włączać USOS do rejestracji na zajęcia, a Krzysztof Ibisz co roku bez pudła odlicza sekundy do Nowego Roku.

O mierzeniu czasu rozmawiam ze specjalistami z Głównego Urzędu Miar: dr. Albinem Czublą i dr. inż. Maciejem Gruszczyńskim.

Serce czasu urzędowego w Polsce. Laboratorium z zegarami w GUM

– Czas to najdokładniej mierzona wielkość fizyczna – zauważa dr Czubla. Dawniej określano go na podstawie obserwacji astronomicznych, ale na takie pomiary ma wpływ wiele zmiennych. Tymczasem dokładne i zsynchronizowane na całym świecie mierzenie czasu jest współcześnie szalenie ważne. Wyobraźcie sobie niejednolicie mierzony czas np. na giełdach czy w ruchu lotniczym! Dlatego to, jak zdefiniować sekundę musi być jak najbardziej precyzyjne. – Trzeba było znaleźć coś, co jest bardzo stabilne, jeżeli chodzi o częstotliwość, jakieś zjawisko fizyczne – tłumaczy dr inż. Gruszczyński. Aktualna definicja sekundy opiera się na częstotliwości nadsubtelnego przejścia w atomach cezu 133… i wcale nie jest ostateczna. Trwają prace nad nowymi rodzajami zegarów atomowych, co na pewno przełoży się na nową definicję.

Zegary są synchronizowane na poziomie międzynarodowym. Dane z zegarów atomowych w urzędach miar poszczególnych państw wysyła się do Międzynarodowego Biura Miar, które oblicza średnią ważoną i wyznacza odpowiednie poprawki dla różnych krajów. GUM w Warszawie dostarcza nam dokładny czas na kilka sposobów. Ma własne serwery z szyfrowaniem NTP (przyjmują kilkaset tysięcy zapytań na sekundę), dedykowanie połączenia światłowodowe dla kluczowych klientów (to na przykład sieci komórkowe), a do tego nadaje co godzinę sygnał akustyczny w Polskim Radiu.

Rozmawiamy też o tym, że z tą z zmianą czasu to nie jest taka jednoznaczna sprawa, że są ważne powody, by zrezygnować z sekundy przestępnej, ile kosztuje maser wodorowy (ktoś ma niepotrzebne 2 miliony złotych?) i dlaczego na giełdzie w Londynie informacje o czasie są ciągnięte po kablu, czyli
nadawane przez światłowód.

 

TRANSKRYPCJA

Karolina Głowacka: W studio Radia Naukowego główni zegarmistrze kraju. Mogę tak powiedzieć?

Albin Czubla: W dużym uproszczeniu.

Maciej Gruszczyński: Ja nie mam nic przeciwko.

K.G.: W dużym uproszczeniu – powiedział pan doktor Albin Czubla, zastępca dyrektora Zakładu Czasu i Długości Głównego Urzędu Miar. Jest z nami również pan doktor inżynier Maciej Gruszczyński, kierownik Laboratorium Nowych Technologii Czasu i Długości właśnie w Głównym Urzędzie Miar. Bardzo dziękuję, że znaleźli panowie czas. Mieliśmy już w Radiu Naukowym odcinek o zmaganiu się fizyków z pojęciem czasu, o tym, czym on jest, czy w ogóle istnieje. A teraz będzie odcinek bardziej praktyczny, bo było nie było, jakoś ten czas mierzymy i do życia społecznego jest to nam potrzebne. Jak więc mierzyć czas precyzyjnie? O tym opowiedzą goście. Powiedziałam „główni zegarmistrze kraju”, bo właśnie Główny Urząd Miar odpowiada za dostarczanie nam wiedzy o czasie urzędowym, jakże to jest istotne. Dopiero byśmy się o tym przekonali, jakbyście zniknęli – byłaby wielka awaria. Panowie, myślę, że musimy zacząć od definicji. Pytanie jest proste, odpowiedź nie jest prosta. Co to jest sekunda?

A.C.: Sekunda jest obecnie definiowana jako taki system miar, w którym częstotliwość przejścia w atomach cezu sto trzydzieści trzy wynosi dokładnie dziewięć gigaherców, sto dziewięćdziesiąt dwa megaherce, sześćset trzydzieści jeden kiloherców, siedemset siedemdziesiąt herców. I to jest pokłosie pewnej rewolucji, jaka zaszła w międzynarodowym systemie miar dlatego, że do pewnego momentu wystarczało albo definiować jednostki miary jako pewne artefakty, np. wzorzec kilograma czy metra, albo wystarczało z obserwacji astronomicznych dzielić dobę na godziny, potem godziny na minuty i sekundy. Natomiast wraz z postępem zaczęły być potrzebne coraz dokładniejsze wartości odtwarzania jednostek miar. I okazało się, że taki wzorzec metra nie jest stały dlatego, że wzorzec kilograma podobno tyje czy tył.

K.G.: Bo dotykali palcami i zostawały jakieś cząstki?

A.C.: Wzorzec kilograma jest przechowywany w układzie, gdzie jest utrzymywana w miarę możliwości próżnia, w sejfie, zamknięty, więc nikt niepożądany nie mógł tego dotykać. Ale w sposób naturalny na powierzchni wzorców kilograma lub metra były absorbowane czy to śladowe jony, czy cząsteczki resztkowej atmosfery. I to powodowało, że taki wzorzec zmieniał swoje właściwości fizyczne. Po prostu było tego wzorca więcej. W związku z tym takim pewnym skokiem w systemie jednostek miar było przejście definicji metra na to, że jest to droga, jaką przebywa światło w próżni w czasie równym jeden podzielone przez znaną wartość prędkości światła. 

K.G.: Czyli coś stałego w fizyce.

A.C.: Tak jest. Poprzez przyjęcie jednostek miar fizycy ustalili, że prędkość światła jest stała, niezmienna. A teraz zrobili odwrotnie – przyjęli wartość prędkości światła za niezmienną stałą liczbową i na podstawie tej wartości liczbowej oraz jednostki czasu definiowano jednostkę długości, czyli jeden metr. I to samo podejście postanowiono zastosować do innych jednostek miar, w związku z czym od dwudziestego maja dwa tysiące dziewiętnastego roku definiujemy np. jednostkę ampera poprzez przyjęcie stałej wartości ładunku elementarnego, temperaturę poprzez przyjęcie stałej określonej wartości liczbowej – stałej Boltzmanna. Poprzez przyjęcie liczby Avogadro definiujemy mor. Natomiast sekundę definiujemy poprzez przyjęcie stałej wartości częstotliwości przejścia w atomach cezu sto trzydzieści trzy w stanie niezaburzonym.

K.G.: Ale co to w zasadzie znaczy? To znaczy, że ten atom jakoś drga, coś emituje, z jakąś konkretną częstotliwością? I to nam wyznacza te sekundy, on jest naszym zegarem? Jak to rozumieć?

A.C.: Atom cezu zmienia swój stan energetyczny w sposób dosyć precyzyjny i określony. I można to wykorzystać do precyzyjnego odmierzania czasu dlatego, że w każdym zegarze potrzebujemy czegoś, co odmierza nam podstawowe interwały czasu. W zegarze wahadłowym jest to ruch wahadła. W zegarze mechanicznym, takim naręcznym jest ruch balansu. W zegarze kwarcowym drgający kryształ kwarcu. W zegarze atomowym są to przejścia kwantowe, czyli zmiany stanu energetycznego w atomach cezu, wodoru, rubidu czy innych pierwiastków. I to jest wykorzystywane, żeby policzyć dokładnie, jaka jest częstotliwość tych przejść. Licząc okresy, wyznaczamy sekundę oraz większe jednostki czasu.

M.G.: I warto zaznaczyć, że jeżeli chodzi o rozwój jednostek miar, zależy nam na tym, żeby znaleźć coś, co jest bardzo stabilne, jeżeli chodzi o częstotliwość, jakieś zjawisko fizyczne. Tutaj przypuszczamy, że ta definicja sekundy, która obowiązuje aktualnie, nie będzie stała. Trwają teraz prace nad nową definicją sekundy. Wraz z rozwojem technologii, opracowania nowych zegarów atomowych ta definicja może się zmienić, może ona być oparta o inne atomy, jak np. iterb czy stront – to są zegary optyczne, które właśnie te pierwiastki wykorzystują.

K.G.: A dlaczego właśnie teraz cez sto trzydzieści trzy został wybrany? Dlaczego akurat ten atom?

A.C.: Atomy cezu mają dobre właściwości fizyczne do takiej roli dlatego, że w latach pięćdziesiątych ubiegłego stulecia próbowano zbudować taki zegar atomowy i okazało się, że zegar, który zrobili Amerykanie, zegar na cząsteczkach amoniaku, NH 3, jest mało dokładny, niestabilny i ten gaz po prostu nie pozwala na długą, ciągłą pracę. Potrzebny był jakiś cięższy pierwiastek, który byłby łatwiejszy w kontrolowaniu, w obsłudze. Tylko to jest cez sto trzydzieści trzy. Bo jest też cez sto trzydzieści siedem, który jest promieniotwórczy, natomiast cez sto trzydzieści trzy jest stabilnym pierwiastkiem, który ma dobre, stabilne przejścia między stanami energetycznymi i częstotliwość dziewięć i dwie dziesiąte gigaherca, która umożliwia stabilne – na zasadzie rezonansu – porównywanie częstotliwości mikrofalowej z tym, czy atomy cezu przechodzą do stanu wyższego, czy nie. I w ten sposób można na zasadzie rezonansu pilnować drgającego kryształu kwarcu, który z kolei generuje bardzo stabilne sygnały częstotliwości. A z kolei dalej my zliczamy te sygnały częstotliwości i zliczając np. dziesięć megaherców, co dziesięć milionów jest generowany jeden impuls elektryczny, który mówi nam, że minęła kolejna sekunda. 

M.G.: Czyli w skrócie można powiedzieć, że na moment przyjęcia tej definicji technologia zegarów cezowych wykorzystujących właśnie ten pierwiastek była na tyle opracowana, wyniki były opublikowane, że można było podjąć międzynarodową decyzję, że przyjmujemy taką definicję. Aktualnie trwają prace badawcze, projekty międzynarodowe, w których części uczestniczymy. Dążą one do tego, że być może ta definicja się zmieni i będą tu wtedy inne pierwiastki, inne częstotliwości opisane w tej definicji. 

K.G.: To jeszcze, żebym zrozumiała to tak obrazowo – czyli mamy ten atom cezu sto trzydzieści trzy i w sposób naturalny dochodzi u niego do przejścia ze stanów energetycznych jednego do drugiego, tak? I to się odbywa z jakąś częstotliwością. Jak to się odbędzie dziewięć milionów razy sto dziewięćdziesiąt dwa sześćset trzydzieści jeden siedemset siedemdziesiąt, to wtedy jest jedna sekunda?

A.C.: Troszeczkę inaczej. [śmiech]

K.G.: Muszę sobie to wyobrazić, dlatego będę dręczyć. [śmiech]

A.C.: Sprawa jest wbrew pozorom bardzo prosta. Mianowicie atom cezu jest w stanie zaabsorbować tylko określone porcje energii. Można przeliczyć zmianę energii na częstotliwość. Czyli stała Plancka – która jest notabene wykorzystana do definicji kilograma – razy częstotliwość daje nam energię. Atomy cezu w zegarze cezowym są podgrzewane po to, żeby uzyskać pary atomów cezu. Cez jest jonizowany, rozpędzany, następnie dejonizowany i atomy cezu energii niższej są kierowane do wnęki rezonansowej, gdzie są podawane mikrofale. I tam jest podawany sygnał dziewięciu gigaherców, stu dziewięćdziesięciu dwóch megaherców itd., tyle, ile trzeba. I jeżeli jest to dobra częstotliwość, to atomy cezu przechodzą do stanu wyższego. Potem atomy cezu o wyższej energii są kierowane na taki powielacz elektronowy, który z kolei potwierdza, że dużo atomów cezu przeszło do stanu wyższego. W ten sposób dobiera się częstotliwość rezonansową, mikrofalową, aby uzyskać maksymalny sygnał, żeby dużo atomów cezu przeszło do stanu wyższego. I mamy przeniesienie informacji o tym, co się dzieje w atomach cezu na częstotliwość mikrofalową, a ona z kolei jest generowana z drgającego kryształu kwarcu. Czyli poprzez atomy cezu synchronizujemy, sprawdzamy, korygujemy częstotliwość kwarcu. Natomiast z częstotliwości kwarcu zliczamy pojedyncze okresy i wychodzi nam potem jednostka czasu. 

K.G.: To jeszcze dręcząc panów tą definicją, kwestia atomu cezu w niezaburzonym stanie podstawowym – co to znaczy? Jeden z patronów, pan Michał zapytał: „Czy to się odnosi do cezu w stanie spoczynku w temperaturze zero? Bo o ile rozumiem, nie da się w zasadzie osiągnąć zera kelwinów”. Chodzi tutaj o zimno absolutne.

A.C.: Odnosi się to do absolutnego zera kelwinów. Czyli kiedy atom jest zupełnie niezaburzony…

K.G.: Ale tego się nie da uzyskać.

A.C.: Nie da się, dlatego też w takich zegarach atomowych, tzw. fontannach cezowych te atomy cezu delikatnie się schładza prawie do zera kelwinów, ale mierzy się tę temperaturę. Dalej wprowadza się specjalnie pole magnetyczne, żeby dokonać rozszczepienia pomiędzy poziomami energetycznymi, żeby stały się widoczne. Dopiero wtedy jest obserwowane przejście. Czyli w pewnym sensie definicję sekundy realizujemy troszkę powyżej zera, czyli w stanie zaburzonym, ale potem ją przeliczamy do stanu niezaburzonego. 

M.G.: Reasumując, nie da się zrealizować w stanie praktycznym, fizycznie takich warunków, jakie są opisane w definicji, natomiast da się wyznaczyć budżet niepewności takiego zegara atomowego, czyli różnego rodzaju poprawki, korekty. I później po ich zastosowaniu możemy powiedzieć, że ten zegar realizuje daną jednostkę czasu.

A.C.: Po prostu mamy idealną definicję sekundy, natomiast nieidealne realizacje. Czyli albo-albo.

K.G.: Pan Marcin zapytał: „Dlaczego jednostka czasu sekundy nie jest zdefiniowana przez stałe fundamentalne, takie jak prędkość światła w próżni czy stałą Plancka?”.

A.C.: To jest właśnie jedyna wielkość fizyczna – czas – która nie ma odpowiednika fizycznego. W sensie jako stałej fizycznej. Bo przyjęcie tej częstotliwości cezowej – przyjmuje się, że jest to taki rodzaj stałej fizycznej. Natomiast jak sobie tak wyobrazimy system jednostek miar, to przyjmujemy pewne jednostki miar i z tego systemu wychodzą nam jakieś wartości różnych stałych, które obserwujemy. Jeżeli mamy definicję czasu czy sekundy, to możemy poprzez wartość prędkości światła przejść na długość, poprzez wartość stałej ładunku elementarnego przejść na amper itd. Natomiast potrzebujemy jednego punktu zaczepienia. Bo gdybyśmy się wszyscy umówili, że np. sekunda jest o połowę krótsza, to wtedy wszystkie jednostki miary byłyby odpowiednio zmienione. Więc żeby zachować relację pomiędzy jednostkami stałymi fizycznymi, musimy też w jakiś sposób powiązać ze światem rzeczywistym ten system jednostek miar. I czas pełni taką funkcję, czyli wiąże z właściwościami fizycznymi wybranego atomu cezu. W przyszłości może to będzie grupa atomów. Będą to przejścia optyczne, czyli o dużo większej częstotliwości, że zamiast gigaherców, będą teraherce albo setki teraherców. I w ten sposób uzyska się nowy sposób dowiązania do rzeczywistości świata. Czyli w pewnym sensie jest tak: pomiary oznaczają porównywanie wielkości za pomocą jakiegoś wzorca jednostki miary. Jeżeli chcielibyśmy porównać czas, który mierzymy na Ziemi, z czasem, który płynie na Księżycu i w innych miejscach, to musimy w jakiś sposób to ze sobą powiązać. W tym momencie definicja oparta na wybranym pierwiastku pozwala nam, żeby tę definicję sekundy, jaką mamy, odnieść do dowolnego miejsca w przestrzeni kosmicznej czy na dowolnie innej planecie, na Księżycu czy gdziekolwiek indziej. 

K.G.: Czyli mając ze sobą zegar atomowy na Księżycu, też moglibyśmy zmierzyć tę sekundę.

A.C.: Dokładnie tak, chociaż musimy pamiętać o tym, że tam czas biegnie troszkę inaczej.

K.G.: No właśnie o to chciałam zapytać. Jak sobie poradzić z tymi wszystkimi szaleństwami związanymi z czasem, np. z dylatacją czasu? I czy np. jest tak, że cały świat umówił się, że wszystkie zegary atomowe muszą być na tej samej wysokości względem Ziemi? Żeby np. grawitacja nie zaburzała. Jak to jest?

M.G.: Nie jest możliwe, aby wszystkie zegary fizycznie znalazły się na jednym poziomie wysokości nad poziomem morza. Zegary atomowe są porównywane z innymi zegarami znajdującymi się na świecie w takich odpowiednikach laboratoriów jak Główny Urząd Miar. No i wiadomo, znajdują się one na różnych wysokościach nad poziomem morza. Ale umówiono się, że skala czasu UTC będzie odniesiona do powierzchni geoidy obrotowej, czyli do jednej potencjalnej powierzchni pola siły ciężkości Ziemi. I znając wysokość nad poziomem morza, można zastosować taką korektę. W przypadku takich zegarów, jakie my mamy, są to zegary komercyjne, użytkowe, produkowane w określonej liczbie sztuk. To nie jest duża liczba, bo są to zastosowania specjalistyczne, ale są to urządzenia, które możemy uruchomić, a po zastosowaniu tam odpowiednich procedur kalibracyjnych, zapewniając im odpowiednie warunki, one pracują cały czas. I uzyskujemy względną dokładność wyznaczenia sekundy rzędu dziesięć do minus czternastej, dziesięć do minus piętnastej za pomocą takich zegarów. Natomiast zegary bardziej precyzyjne, tak jak optyczne wzorce częstotliwości, są w Polsce rozwijane m.in. na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Jest tam sztab fizyków, którzy taki zegar konstruują, planują sesje pomiarowe. On nie działa w sposób ciągły, on wyznacza poprawki do częstotliwości wzorcowej. I on może wyznaczyć tę sekundę z błędem względnym dziesięć do minus siedemnastej, osiemnastej, w zależności od konfiguracji. I takie zegary uwzględniają już tę różnicę wysokości nad poziomem morza, czyli ich wyznaczana częstotliwość jest od tego silnie zależna. Przy takich zegarach byłoby korzystne, żeby w momencie ich pracy były monitorowane zmiany pola siły ciężkości w sposób ciągły. I tam tę poprawkę trzeba już uwzględnić bezpośrednio. Natomiast w momencie wyznaczania skali czasu UTC jest uwzględniana ta poprawka względem różnic wysokości nad poziomem morza. 

K.G.: Po prostu policzyć, odpowiednio skorygować liczbowo, tak?

M.G.: Tak.

A.C.: Tu jest jeszcze inna sprawa – mając zegar jako system odniesienia, możemy mierzyć dokładnie czas. Natomiast, żebyśmy wiedzieli, gdzie jesteśmy na osi czasu, musimy mieć jeszcze jakiś punkt początkowy. Mamy skalę czasu, punkt początkowy oraz jednostkę. Rzecz polega na tym, że skoro z teorii względności wynika, że na powierzchni geoidy czas płynie troszeczkę wolniej niż w przestrzeni kosmicznej, to nawet jeżeli zsynchronizujemy zegary – przypuśćmy, że na powierzchni Ziemi i na Księżycu – to one będą odmierzały czas troszeczkę inną sekundą. Czyli będą się później od siebie różniły. 

K.G.: No ale rozumiem, że lokalna sekunda będzie dobrze odmierzona? Tam na Księżycu.

A.C.: Tak. Lokalna sekunda będzie mierzona wtedy idealnie albo bardzo blisko ideałowi. Natomiast, żeby porównać skalę czasu, musimy wiedzieć, w jakiej epoce te skale były równe i wiedzieć, ile upłynęło czasu od tamtej epoki. I wtedy jesteśmy w stanie porównać te zegary. 

K.G.: A skąd wiadomo, kiedy np. była taka sama skala na Ziemi i na Księżycu?

A.C.: To jest kwestia umowy. Umawiamy się, że dla obserwacji do podróży kosmicznych jest używany czas związany ze środkiem ciężkości Układu Słonecznego. I wtedy jest to wygodniejsze.

K.G.: Taki punkt wspólny.

A.C.: Tak. Punkt wspólny, punkt odniesienia, gdzie czas biegnie troszeczkę inaczej niż na powierzchni Ziemi. Jest przyjęty taki początek, gdzie obydwie te skale czasu – płynąca na Ziemi i według tego punktu środka ciężkości Układu Słonecznego – były ze sobą zgodne.

K.G.: Taka kosmiczna strefa czasowa.

A.C.: Tak. I taki, powiedzmy, kosmiczny sposób odmierzania czasu. Bo w czasie strefowym mamy tę samą jednostkę czasu. W czasie kosmicznym czas płynie inaczej, więc mamy inną jednostkę czasu. Choć fizycznie jest to ta sama jednostka czasu, uniwersalna w całym Wszechświecie. Czyli do planowania podróży kosmicznych, do porównywania czasu na Ziemi, na Księżycu będzie jeszcze potrzebna wiedza na temat…

M.G.: Relacji, tak jakby matematycznych relacji pomiędzy tymi skalami czasu. 

A.C.: Tak jest. I wtedy już te sekundy będą się od siebie różniły.

K.G.: Czyli np. astronauci, którzy będą lecieli na Marsa, będą mieli jakiś wspólny czas ze swoimi Houston, żeby się dogadywać?

A.C.: To znaczy, oni muszą mieć wspólny czas.

K.G.: Łączymy się np. o szesnastej – i co to znaczy?

A.C.: To, o czym w tej chwili mówimy, to nie są duże różnice. Tak naprawdę różnice w upływie czasu są rzędu jeden razy dziesięć do minus szóstej wartości. Czyli po prostu mylimy się o jedną mikrosekundę w ciągu jednej sekundy. W ciągu dziesięciu dni mylimy się o jedną sekundę. W związku z tym, żeby umówić rozmowę z Houston, wystarczy dokładność nawet kilku czy kilkunastu sekund. 

M.G.: W takim przypadku możemy przyjąć, że w Houston jest jakiś zegar atomowy zbliżony do takiego, który mamy my. I ten zegar wyznacza nam skalę czasu, którą wykorzystujemy do wykonywania połączeń, do planowania misji itd. Natomiast to, o czym mówił doktor Czubla, jest bardziej w kwestii tego, gdy obserwujemy jakieś zjawiska astronomiczne z różnych obserwatoriów, które znajdują się na satelitach krążących wokół Ziemi. I w takim momencie, kiedy chcemy zsynchronizować ze sobą dwa obiekty, które znajdują się gdzieś w Kosmosie, i chcemy porównywać ich wskazania, to musimy już uwzględniać, czy wykorzystać jakąś skalę, która się odniesie do jednego środka masy. Bo te efekty relatywistyczne odnoszą się do jakiegoś środka masy układu obiektów. Jeżeli chcemy odnieść do Ziemi, to jest środek ciężkości Ziemi, jeżeli do Układu Słonecznego, to trzeba znaleźć środek ciężkości Układu Słonecznego.

K.G.: A czy to nie dzięki zegarom atomowym udało się udowodnić efekt dylatacji czasu? Bo słyszałam te historie, że pakowano zegary atomowe do samolotów, które latały w jedną i drugą stronę, że jeden zostawiano w piwnicy, drugi na piętrach kamienicy. 

A.C.: Zgadza się. To było w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia. Zegar cezowy mający dokładność jeden razy dziesięć do minus czternastej, minus dwunastej sekundy, czyli to jest mniej więcej dla grawitacji sto metrów przesunięcia w pionie, to już jest upływ czasu jeden razy dziesięć do minus czternastej.

K.G.: Czyli rejestrowalna różnica.

A.C.: Tak. Porównywano czas w zegarze, który został wysłany w podróż samolotem i z jakąś prędkością na jakiejś wysokości nad poziomem Ziemi, co powodowało, że dało się wyliczyć, o ile tam czas powinien płynąć szybciej. Potem samolot lądował, porównywano zegary i okazywało się, że rzeczywiście jest idealnie. Był też taki powtórzony eksperyment, gdzie wzięto zegar atomowy na wycieczkę w góry i potem po iluś dniach pobytu w górach wrócił on z powrotem. 

K.G.: Noszono go normalnie na plecach?

A.C.: Akurat przywieziono go samochodem. Waży to piętnaście, dwadzieścia kilogramów – to nie jest dużo, ale żeby zachować ciągłość pracy zegara czy żeby można było porównać wskazania zegarów, musi być ciągłe zasilanie. W związku z tym potrzeba trochę akumulatorów i jest też potrzebny samochód, żeby zasilał. Ale jest to efekt mierzalny, potwierdzony. Działają systemy nawigacji satelitarnej, które bez potwierdzania, że tam czas płynie troszeczkę inaczej, nie mogłyby być poprawnie skonstruowane. 

K.G.: Ale czy te cezowe zegary atomowe łapią jakieś opóźnienia? Może w bardzo dużej skali, ale jednak. 

M.G.: Ze względu na niedoskonałość konstrukcji zjawiska, które tam zachodzą, nie są w pełni powtarzalne, tak jak powinny być. Dlatego naturalne jest, że każdy zegar atomowy będzie miał jakiś dryf częstotliwości. Również ze względu na zmienność warunków zewnętrznych, bo te także mają wpływ. Zmiany potencjału pola siły ciężkości Ziemi, o których mówiliśmy, ale też zmiany pola elektromagnetycznego i takie efekty jak temperatura czy wilgotność. W naszym laboratorium staramy się, aby wpływ tych czynników zewnętrznych był minimalizowany, mamy specjalnie skonstruowane pomieszczenie, które odpowiednio klimatyzujemy. Dopiero w momencie porównań, wskazań takich zegarów atomowych wewnętrznie, w naszym laboratorium – ponieważ mamy dwa masery wodorowe, cztery zegary cezowe – możemy wyznaczyć średnią i odchyłkę dla każdego zegara, w jaki sposób ta częstotliwość się zmienia. Tak że możemy porównywać wskazania naszych zegarów zewnętrznie, z innymi laboratoriami poprzez połączenia światłowodowe. W Polsce takie połączenia mamy m.in. między Głównym Urzędem Miar – dedykowane połączenie światłowodowe i technologię do porównania częstotliwości wzorcowej – a Centrum Badań Kosmicznych, dokładnie Obserwatorium Astrogeodynamicznym w Borówcu pod Poznaniem. Jest też połączenie między Głównym Urzędem Miar a PCSS. Jedna odnoga jest właśnie do Borówca, druga do Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, gdzie są rozwijane technologie wzorców optycznych.

K.G.: A czym jest PCSS?

A.C.: Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe.

K.G.: Okej, pozdrawiamy Poznań. Mówił pan, doktorze Gruszczyński, że takie zegary atomowe produkuje się po prostu komercyjnie. Jest taki sklep z zegarami atomowymi? Ile coś takiego kosztuje?

M.G.: Dystrybucją zajmują się firmy, które współpracują bezpośrednio z producentem, i są to raczej firmy, które dostarczają rozwiązania specjalistyczne. Ale raczej nie ma przeszkód, aby bardzo zaangażowany obywatel za spore pieniądze kupił taki zegar atomowy.

K.G.: Ale za ile? Sto, dwieście tysięcy? Pół miliona?

A.C.: Pół miliona to jest zwykły zegar cezowy. Maser wodorowy kosztuje w tej chwili od półtora do dwóch milionów złotych, przy czym to są specjalistyczne urządzenia, których wyprodukowanie trwa osiem, dwanaście miesięcy. W obecnej sytuacji geopolitycznej trwa to troszeczkę dłużej.

M.G.: Jednym z producentów była Rosja, z którą współpraca jest teraz wykluczona z przyczyn oczywistych. Drugim producentem były Stany Zjednoczone, jedna firma produkuje tam masery wodorowe. Masery wodorowe czy ogólnie zegary atomowe są też produkowane w Szwajcarii. 

K.G.: Czym są dokładnie masery wodorowe? Wiemy, czym jest zegar atomowy, a czym jest maser wodorowy? To też jest rodzaj zegara atomowego?

A.C.: Tak, maser wodoru to jest też zegar atomowy. Bo generalnie co to jest zegar? Zegar to jest coś, co w sposób równomierny, ciągły odmierza czas, mające swoje wewnętrzne źródło taktowania. W zegarze cezowym czas odmierza drgający kryształ – kwarc, ale zsynchronizowany do przejść energetycznych w atomach cezu. Są dwa rodzaje maserów wodorowych – aktywne i pasywne. W maserze wodorowym pasywnym częstotliwość drgań kwarcu jest zsynchronizowana do przejść w atomach wodoru, a w maserze wodorowym aktywnym częstotliwość przejść wodoru jest stabilizowana w takiej wysokostabilnej wnęce mikrofalowej. Maser to jest to samo co laser, ale nie light, tylko microwave, czyli na mikrofale. W związku z tym jest tam utrzymywana stabilna wiązka mikrofalowa poprzez samo wzbudzanie atomów wodoru. Czyli jest wzbudzenie-deekscytacja, wzbudzenie-deekscytacja. I w ten sposób tworzy się silny sygnał częstotliwości przejść wodorowych, który z kolei pobiera malutka antenka i synchronizuje do tej częstotliwości kwarc. W ten sposób maser wodorowy jest też źródłem ciągłej częstotliwości, która z kolei jest zliczana, i jest wyznaczana skala czasu. Czyli maser wodorowy jest również w pełni zegarem atomowym, tylko że ma tę cechę, że parametry wnęki mikrofalowej ulegają starzeniu, zmianom w czasie. Powoduje to, że maser z czasem nabywa dodatkowego przesunięcia częstotliwości. Czyli można powiedzieć obrazowo, że długość sekundy w maserze jest bardzo stabilna, ale z czasem ulega drobnym zmianom. W związku z tym masery wodorowe musimy korygować częściej niż zegary cezowe. W zegarach cezowych mamy niezbyt równe sekundy obok siebie, ale one bardzo mało się zmieniają w czasie, więc są bardzo, bardzo równe.

K.G.: To w takim razie dlaczego Główny Urząd Miar zdecydował się na różny rodzaj urządzeń? 

A.C.: Masery wodorowe generują stabilniejsze krótkoterminowo długości sekund. Dzięki temu mamy większą dokładność odtwarzania jednostek czasu i częstotliwości. Natomiast zegar cezowy służy jako taki zawór bezpieczeństwa, który pilnuje długoterminowo, żeby się nie rozjechało. Oczywiście wszystkie zegary biorą udział w ciągłych, trwających dwadzieścia cztery godziny na dobę siedem dni w tygodniu, porównaniach międzynarodowych, gdzie porównujemy naszą skalę czasu za pośrednictwem pomiarów czy to obserwacji satelitów, GPS-u, Galileo, GLONASS-u, czy systemu dwudrogowego – takiego, że wysyłamy sygnał poprzez Instytut Łączności w Warszawie Miedzeszynie do satelity stacjonarnego, który z kolei przesyła ten sygnał do innych laboratoriów czasu w Europie. I odbieramy sygnał z innych laboratoriów, porównując naszą skalę czasu do czasu, który prowadzą Niemcy, Francuzi, Anglicy, Amerykanie.

K.G.: A czy kwestia przesyłu nie powoduje jakichś minimalnych opóźnień danych?

M.G.: Każdy system transferu czasu i częstotliwości powoduje opóźnienia. Nie ma problemu, kiedy te opóźnienia są stałe. Możemy wtedy wprowadzić poprawkę. Każda technika – ogólnie, w dużym uproszczeniu – polega na tym, że możemy nadać sygnał, on może być odbity w miejscu, w którym jest odbierany. I my, znając czas od wysłania do odebrania sygnału odbitego, możemy podzielić na dwa i wiemy, jakie jest opóźnienie na tej odległości. Problem robi się wtedy, kiedy to opóźnienie nie jest stałe w momencie dojścia i powrotu sygnału. Jest tak np. w technice NTP. Jest to taki protokół internetowy synchronizacji czasu w urządzeniach odbiorców końcowych. W naszym systemie, w naszym komputerze, jeżeli byśmy dotarli do odpowiednich ustawień, to moglibyśmy tam wpisać serwery czasu Głównego Urzędu Miar. Nasze serwery mają adres tempus1.gum.gov.pl i tempus2.gum.gov.pl. W momencie, kiedy nasze serwery nadają na zapytanie użytkownika komunikat o czasie, ta informacja dociera. Może ona być nam zwrócona. I nie ma problemu, gdy nie ma ogólnie w połączeniach internetowych tzw. symetrii łącza, czyli te informacje dojdą do użytkownika jedną drogą, połączeniami sieciowymi, natomiast wrócą inną, ponieważ jest to bardzo rozległa sieć internetowa. Są też pewnego rodzaju zabiegi, żeby sobie z tego typu zagadnieniami radzić, no ale asymetria to pewien błąd, który musimy uwzględnić. Natomiast, jeżeli opóźnienie jest stałe, to możemy je cyfrowo korygować u użytkownika końcowego.

A.C.: Jeszcze dodatkowo jest tak, że przy wykorzystywaniu sygnałów np. GPS-u musimy też wiedzieć, jakie są poprawki przy przejściu sygnału przez poszczególne warstwy atmosfery, np. informacje o położeniu satelity. Precyzyjne metody pozwalają nam zredukować te wszystkie różnice czasu – my to nazywamy czasem propagacji – do rzędu poniżej nanosekund, czyli poniżej miliardowej części sekundy. Mniej więcej w tym czasie światło przebywa drogę w powietrzu, w próżni około trzydziestu centymetrów. Natomiast światłowodami możemy porównywać zegary ze stabilizacją opóźnienia na poziomie pojedynczych pikosekund. Tak dla wyobrażenia pięć pikosekund w światłowodzie to jest dla światła droga około jednego milimetra.

K.G.: Zrobiłam teraz bardzo duże oczy. To jest niesamowita precyzja.

A.C.: Jest ogromna precyzja, przy czym dokładność jest troszeczkę gorsza. W tym sensie, że my z taką stabilnością możemy przesyłać nasz sygnał przez światłowód, czyli z precyzją pojedynczych pikosekund, natomiast dokładność jest rzędu kilkudziesięciu pikosekund. Czyli, powiedzmy, tak naprawdę kilku centymetrów dla światła. Ale dzięki temu możliwe są porównania zegarów w jednej lokalizacji z zegarami w innej lokalizacji. I jest też możliwy postęp – dlatego, że bardzo dokładna częstotliwość czy bardzo dokładne porównanie zegarów mówią nam dużo o częstotliwości, którą realizują poszczególne zegary. Mając możliwość porównań zdalnych, możemy odnieść nasze wyniki do wyników, które mają inne kraje albo inne ośrodki. I w ten sposób tworzy się taki wspólny system miar. To nie jest tak, że my po prostu mamy zegar, włączamy go i mówimy, że mamy już dobry czas. My te zegary włączamy, potem wstępnie synchronizujemy, następnie porównujemy z zegarami na całym świecie, Międzynarodowe Biuro Miar gromadzi nasze dane i na ich podstawie wyznacza poprawki dla każdej skali czasu. Czyli w efekcie dla każdego z naszych zegarów. Wyznacza ono średnią ważoną, czyli taką skalę czasu ze wszystkich zegarów na całym świecie plus jeszcze pierwotne wzorce częstotliwości, które nie pracują w sposób ciągły, takie jak fontanny cezowe, fontanny rubidowe czy zegary optyczne. I dopiero wtedy taka skala czasu, skorygowana do czasu słonecznego, żeby południe było dokładnie w południu, jest skalą czasu UTC, która tworzy podstawę dla czasu urzędowego. Czyli w pewnym sensie jest tak, że poprzez porównania wyznaczane są skale czasu międzynarodowe, skala czasu UTC, która z kolei pozwala nam na wyznaczanie czasu lokalnego.

K.G.: Ale jak wyciągam telefon i widzę godzinę – mój telefon jest podłączony do sieci, korzysta z czasu urzędowego – to skąd on wie, która jest godzina? To od was idzie ten sygnał? Czy gdzieś tam z tej światowej centrali?

M.G.: W tym przypadku akurat z centrali operatora telefonii komórkowej, ponieważ on potrzebuje synchronizować swoje systemy, aby wykonywanie połączeń, świadczenie usług, dostarczanie internetu było możliwe. Tu warto powiedzieć, że ta dokładność synchronizacji u operatorów telefonii komórkowej jest bardzo ważna i oni są naszymi klientami. My mamy bezpośrednie połączenia światłowodowe, wykorzystujemy nawet dokładniejsze techniki niż dla użytkowników o mniejszym zapotrzebowaniu, jeżeli chodzi o dokładność. Są to specjalne dedykowane serwery PTP, bardziej precyzyjny protokół i dedykowane połącznia światłowodowe. Czyli oni już korzystają z powiązania z czasem urzędowym czy naszą lokalną, fizyczną realizacją czasu UTC, no i to później ma przeniesienie na wysoką jakość usług telekomunikacyjnych i ten czas użytkownika końcowego. Czyli można powiedzieć, że jeżeli nie doszło do jakiegoś celowego zakłamania – bo takie też mogą być – to telefon powinien wskazywać prawidłowy czas. A jeżeli chcemy mieć jeszcze większą pewność, to możemy pobrać aplikację Głównego Urzędu Miar. Jest to aplikacja e-CzasPL, która jest dostępna na urządzenia mobilne, a także na komputery stacjonarne. Zachęcam do pobrania. Ona się łączy już bezpośrednio z serwerami znajdującymi się w naszym laboratorium.

K.G.: Pan doktor Gruszczyński chwali e-CzasPL i słusznie, zresztą jest kierownikiem tego projektu, więc wie, co mówi. I o ten projekt jeszcze będę pana wypytywać, natomiast co to może być za celowe zakłamanie? 

M.G.: Są różnego rodzaju celowe działania, m.in. powszechne jest wykorzystywanie odbiorników systemów nawigacji satelitarnej, czyli GPS-u lub europejskiego Galileo. Za ich pomocą można dość tanio i bardzo dokładnie uzyskać informacje o czasie z dokładnością do mikrosekund. No i taki czas jest wykorzystywany np. w zegarach, które wyświetlają czas na przystankach, w pojazdach komunikacji miejskiej. Istnieją różnego rodzaju celowe i niecelowe zjawiska, efekty, które mogą wpłynąć na zakłamanie tego czasu. Bardzo długo zajęłoby wyjaśnienie tego efektu, natomiast jest on bardzo dobrze opisany w internecie, także na stronach Głównego Urzędu Miar. GPS Week Number Rollover – to jest zjawisko, które było przewidziane w architekturze systemu GPS, że dojdzie do wyzerowania licznika, w ramach którego GPS ten czas wyznacza i dystrybuuje. W momencie, kiedy to zaistniało – było to w dwa tysiące dziewiętnastym roku, jeżeli dobrze pamiętam – okazało się, że nie wszyscy producenci odbiorników czy systemów, gdzie takie odbiorniki były wdrożone do pozyskania informacji o czasie, byli na to przygotowani. I m.in. biletomaty, które mają wydawać i kasować bilety, kasowały z datą dwadzieścia lat wcześniejszą. To był właśnie taki niezamierzony efekt. 

Producent samolotów transatlantyckich, czyli piloci, którzy te samoloty obsługiwali, zauważyli w tym dniu, że na ich wyświetlaczach wyświetlała się data dwadzieścia lat wcześniejsza – w nocy, podczas lotu transatlantyckiego. I producent czy operator takich samolotów w komunikacji z pilotami stwierdził, że nie wiadomo, jak data wykorzystywana przez ten system, który pobierał czas systemu GPS, może wpływać na zarządzanie lotem takiego dużego samolotu i została wtedy podjęta decyzja, że wszystkie samoloty uziemiamy, natomiast te, które mają wystartować, będą miały opóźniony lot, ponieważ musimy zbadać, jaki to ma wpływ. Czyli takie celowe lub niecelowe błędy czy ataki na informacje o czasie, który jest wykorzystywany we współczesnych systemach, mogą wyrządzać bardzo duże szkody. Mamy też duży obszar do działania, jeżeli chodzi o wykorzystanie czasu dla hakerów. I tego typu ataki też są zauważane, notowane.

K.G.: Atakują was czy satelity?

M.G.: Nie, jeszcze na dużą skalę w Głównym Urzędzie Miar się nie zdarzyło. I nie zachęcamy.

A.C.: Kto może celowo zakłócać? W tej chwili czas jest wykorzystywany w transakcjach giełdowych, są też takie automaty, które wykorzystują z dużą prędkością automatyczne realizacje transakcji. Jeżeli ktoś chce zakłócić działanie takiego systemu, to wystarczy, że zakłóci odbiór sygnałów GNSS-u. Wówczas, jeżeli nie ma redundantnych źródeł dokładnego czasu, można zablokować działanie systemu finansowego. Czyli polska giełda też potrzebuje dokładnego czasu. Jeżeli jest różnica w czasie większa niż jedna sekunda, to wtedy taka transakcja jest niewiarygodna. 

K.G.: Ale to się dzieje na świecie? Są z tym problemy, że są takie ataki?

A.C.: W Londynie są zlokalizowane serwery wielu europejskich giełd i domów maklerskich i tam bardzo często dochodzi do zagłuszania. Ale jest tam też odpowiednik Głównego Urzędu Miar, National Physical Laboratory, który dostarcza poprzez światłowody dokładny czas. I to umożliwia uniezależnienie się od zaburzeń GPS-u. Wiadomo, że dokładny czas to jest dokładna nawigacja. W systemach wojskowych po prostu w jakiś sposób blokuje się działanie systemu GPS i wówczas są problemy z wykorzystaniem nawigacji. W tym przypadku są to celowe zakłócenia. W tym momencie jest wiele dokumentów podpisywanych w formie elektronicznej, czyli jest ważne znakowanie czasem. Jeżeli ktoś zechce zablokować czy utrudnić działania i że ktoś odbiera ten czas wyłącznie z GNSS-u, to wystarczy zakłócić dostarczenie takiego sygnału. Co więcej, są lotniska, które potrzebują lokalnej nawigacji po to, żeby bezpiecznie sprowadzić samoloty. Jeżeli jest to zakłócane, jeżeli system nie jest odporny na zakłócenia GNSS-u, to wtedy ta nawigacja jest bardzo utrudniona. Może Warszawa nie ma na razie dużych lotnisk, ale tam, gdzie one są, są bardzo duże problemy. W tej chwili dba się o to, żeby zachować redundantność źródeł czasu i odbioru sygnałów GNSS-u.

K.G.: Redundantność, czyli niezależność?

M.G.: Nadmiarowość. Celowe, zamierzone zapewnienie zapasowych źródeł informacji.

A.C.: Żeby pochodziły one z różnych kierunków czy miejsc. Jeżeli w jednym miejscu ktoś zakłóca, to po prostu bierzemy czas czy informację z innego miejsca.

K.G.: A jeśli chodzi właśnie o dostarczanie przez was czasu urzędowego do operatorów, to jak to wygląda tam u was, w Głównym Urzędzie Miar? Ile macie tych zegarów? Chyba cztery.

M.G.: Cztery zegary cezowe, dwa masery wodorowe – łącznie sześć.

K.G.: Nie wiem, na ile możecie opowiadać o szczegółach, ale jak to tak technicznie wygląda? To jest jakieś pomieszczenie zabezpieczone kodami, nie wiadomo czym? Jak to wygląda?

A.C.: Pomieszczenie jest zabezpieczone w podstawowy sposób, czyli nie jest to bunkier, aczkolwiek np. główne zegary, które służyły synchronizacji sieci telekomunikacyjnej – obecnie Orange – faktycznie były w bunkrze w Warszawie, w takim miejscu, które przetrwałoby również wojnę atomową. Natomiast nasze zegary są w specjalnym pomieszczeniu z ograniczonym dostępem. Jest tam bardzo dużo kabelków i łączy światłowodowych – dlatego, że w tej chwili najdokładniejszym, najbezpieczniejszym medium jest właśnie światłowód. Tak że fizyczni operatorzy muszą mieć swoje źródła. Biorą od nas częstotliwość rezerwową. Bo o co chodzi? Chodzi o to, że żeby społeczeństwo miało dużą przepustowość danych, żeby mogli oglądać telewizję jednocześnie, musi być bardzo dokładna synchronizacja. Żeby nie było potrzeby powtórzeń, żeby nie było błędów. 

K.G.: Żeby nie było słychać za ścianą, że gol, a my jeszcze nie widzieliśmy. [śmiech]

A.C.: Opóźnienie jest, to fakt. Z tym sobie nie poradzimy, natomiast jeżeli piszemy drobniejszym druczkiem, możemy zawrzeć więcej informacji w tym samym paśmie. Jeżeli mamy dokładniejszą częstotliwość, to możemy wysłać więcej informacji szybciej i pewniej.

M.G.: Mówiąc w skrócie, jeżeli chodzi o telekomunikację – jeżeli punkt nadawczy i odbiorczy będzie synchronizowany z dokładnością do jednej sekundy, to w bardzo dużym uproszczeniu możemy przesłać jeden bit informacji na sekundę. Natomiast, jeżeli będziemy synchronizowali z dokładnością do setnych części sekundy i dalej, to będziemy mogli przesłać sto bitów na sekundę. W ten sposób wygląda wdrażanie nowych technologii w telekomunikacji 5G. Jest to też bardzo silnie zależne od możliwości precyzyjnego czy dokładnego dystrybuowania wzorcowych sygnałów częstotliwości. Odpowiadając bezpośrednio na pytanie, dystrybuujemy dla użytkowników końcowych za pomocą kilku technik. Ta jedna najbardziej precyzyjna technika to są właśnie dedykowane połączenia światłowodowe. Obecnie pracujemy nad tym, żeby kilka takich połączeń uruchomić. Wymaga to zestawienia połączenia światłowodowego, operator musi mieć możliwość dostarczenia takiego połączenia. Druga technika to jest technika NTP. W sieci otwartej internet można się połączyć z naszymi serwerami. I tu się łączą odbiorcy indywidualni, ale także różnego rodzaju urządzenia elektroniczne. Załóżmy, że jest firma, która wdraża sterowniki do zarządzania nawadnianiem jakichś ogrodów. Te urządzenia się włączają i wyłączają w zależności od zasilania. Muszą pozyskać informację o czasie, więc mogą przez internet i Wi-Fi pozyskać informację z naszych serwerów czasu urzędowego. A drogą internetową możemy dostarczyć czas wszędzie tam, gdzie odmierzanie czasu może wywołać jakieś konsekwencje prawne, czyli m.in. walidacja biletów, informatyczne systemy do organizacji przetargów publicznych, gdzie można drogą elektroniczną składać oferty. Jest bardzo ważne, żeby moment otwarcia tych ofert był zgodny z czasem urzędowym albo żeby było potwierdzone, że jest on zgodny z czasem urzędowym.

K.G.: To kto w takim razie jest waszym klientem bezpośrednim poza telekomunikacjami, operatorami komórkowymi? Bo jak panowie o tym mówicie, to okazuje się, że to uzależnienie od superdokładnego czasu jest bardzo powszechne w społeczeństwie. 

M.G.: Nie mamy potrzeby monitorowania z imienia i nazwiska takich użytkowników. Dostarczamy takie technologie, które powinny być zestandaryzowane międzynarodowo.

A.C.: Mamy miliony zapytań w ciągu dnia.

M.G.: Nasz serwer obserwuje kilkaset tysięcy, teraz prawdopodobnie już ponad milion takich pojedynczych zapytań. Z tym że te zapytania mogą być generowane przez jakieś urządzenia IoT, których jest pewnie wykorzystywanych bardzo dużo na terenie naszego kraju.

K.G.: Internet of Things, czyli te wszystkie inteligentne lodówki itd.

M.G.: Tak. Ale jeszcze warto powiedzieć, że są to techniki wykorzystujące sieć interny czy połączenia światłowodowe. Za pomocą tych technik udostępniamy czas urzędowy. Ale czas urzędowy udostępniamy też sygnałem akustycznym emitowanym m.in. w Polskim Radio o każdej pełnej godzinie. Ten sygnał jest u nas fizycznie generowany i monitorowany. Ale także za pomocą specjalnych kodowanych sygnałów czasu, które są nałożone na częstotliwość wzorcową Programu Pierwszego Polskiego Radia. I to jest usługa podobna do niemieckiego systemu DCF, która umożliwia odebranie pełnej informacji o czasie, czyli rok, dzień, godzina, minuta, sekunda z dokładnością do milisekund. Liczymy na to, że milisekundy będą stale utrzymywane przez ten system. No i do czego może być wykorzystywana? Do wszystkich zastosowań, gdzie użycie np. systemów GPS nie jest możliwe, czyli np. w budynkach. Ponieważ na falach długich możemy odebrać sygnał radiowy wewnątrz budynków, a także wszędzie tam, gdzie chcemy mieć dodatkowe, zapasowe informacje o czasie, m.in. dlatego, że sygnał GPS można dość łatwo zagłuszyć na dużym obszarze. Czyli korzystając z naszego systemu e-Czas Radio, można pozyskać tę informację o czasie. Dokumentacja, w jaki sposób to zrobić, znaczenie bitów jest na stronie e-czas.gum.gov.pl.

K.G.: E-Czas to jest bardzo fajny projekt i świetnie, że każde z nas może z tego skorzystać, ściągając np. aplikację, o której pan wcześniej mówił. A ja muszę przyznać, że patroni Radia Naukowego to naprawdę czujne osoby, bo pan Marek dobrze wiedział, że sygnał e-CzasPL nadawany jest od niedawna z Solca Kujawskiego wraz z sygnałem radiowej Jedynki. Dlaczego akurat stamtąd i czy tylko stamtąd?

M.G.: Bo tam mieści się Radiowe Centrum Nadawcze Polskiego Radia i tam jest aktualnie jedyna aktywna w Polsce utrzymywana antena, która nadaje na falach długich Program Pierwszy. I my poprzez wieloletnią współpracę z Polskim Radio – gdzie monitorujemy tę częstotliwość wzorcową Programu Pierwszego poprzez to, że generujemy ten sygnał akustyczny o każdej pełnej godzinie – kontynuujemy poprzez nadawanie tych sygnałów kodowanych. Czyli ta współpraca jest obopólna, korzyści są obopólne. Polskie Radio może pełnić swoją misję nadawania programu nadawczego, a my misję udostępniania czasu urzędowego.

A.C.: Ważne jest, że fale długie są dostępne w całej Polsce. Poza granicami kraju również. Natomiast fale krótkie mają niewielkie zasięgi. W związku z tym mając system umieszczony w jednym nadajniku i kodując sygnał dodatkowo poprzez modulację fazy tego sygnału, nie zakłócamy jakości sygnału analogowego, radiowego. Natomiast dodatkowo przesyłamy jeszcze informacje o czasie. I ten sygnał jest podobno odbierany nawet w samolotach. No bo fale długie odbijają się od jonosfery, w związku z czym mogą być odbierane też np. w Turcji i w Azji. Będziemy jeszcze sprawdzali, gdzie można odbierać nasz sygnał, ale nawet takie w miarę proste radio pozwala rozkodować taki sygnał.

M.G.: Aktualnie ten odbiór informacji o czasie jest testowany na Łotwie. Planujemy testy nawet jeszcze gdzieś dalej.

K.G.: Daleko sięga. Ale co w zasadzie jest tam zakodowane? Dokładna godzina?

A.C.: Tak. Dokładna godzina, czy jest czas letni, czy zimowy, czy będzie sekunda przestępna, czyli czy będzie dodatkowa sekunda dodawana bądź zabierana. I na razie tyle.

M.G.: Dowolny odbiornik w momencie włączenia zasilania, włożenia baterii, który zaimplementowany miałby ten moduł odbiorczy czasu urzędowego, po pewnej chwili, kiedy odbierze pełną ramkę, może wyświetlić czas na swoim wyświetlaczu. Czyli możemy założyć, że w niedalekiej przyszłości powstaną takie zegarki, że po włożeniu baterii same ustawią się na właściwą godzinę.

K.G.: Uśmiechnął się pan, kiedy była mowa o tej sekundzie przestępnej. Co to takiego?

A.C.: Sekunda przestępna to dodatkowa sekunda dodawana albo odejmowana od czasu urzędowego, atomowego, żeby zachować zgodność z czasem astronomicznym. Bo historycznie czas był wykorzystywany w nawigacji morskiej do wyliczania długości geograficznej. Żeby zachować tę funkcjonalność czasu, kiedy pojawił się czas atomowy, czyli już niezależny od obserwacji astronomicznych, zaczęto go korygować tak, żeby czas średni słoneczny, tzw. czas UT1, nie różnił się od czasu atomowego więcej niż o zero dziewięćdziesiąt sekundy. W tym celu zaczęto dodawać do czasu atomowego dodatkowe sekundy zwane sekundami przestępnymi. Od tysiąc dziewięćset siedemdziesiątego drugiego roku mamy co jakiś czas wydłużony Sylwester albo wydłużone wakacje o jedną sekundę. Gorzej, że w niedawnym czasie Ziemia troszeczkę przyspieszyła.

M.G.: No właśnie, należy tu wtrącić, skąd się wzięła potrzeba dodawania tych sekund przestępnych, bo to może być nieintuicyjne dla niektórych słuchaczy. Chodzi o to, że w momencie, kiedy zostały już zbadane i były produkowane zegary atomowe, które pozwalały na bardzo stabilne wyznaczanie częstotliwości i skal czasu atomowych, można było w obserwatoriach astronomicznych dokonywać porównania tych bardzo stabilnych skal czasu atomowych z obserwacją ruchu obrotowego Ziemi. No i okazało się, że Ziemia obraca się niestabilnie, czyli ten obrót wokół własnej osi może spowalniać lub przyspieszać. I to jest spowodowane różnymi czynnikami, m.in. efektami grawitacyjnymi przyciągania pomiędzy Ziemią a Księżycem, innymi planetami, także pomiędzy jakimś szczątkowym oporem wywoływanym przez górne warstwy atmosfery, a także po prostu zmianami rozkładu masy na Ziemi. Mówi się też, że jeżeli chodzi o jedną z tam w Chinach, która została zbudowana, nagromadzenie wody w jednym miejscu spowodowało tam już zauważalną zmianę w ruchu obrotowym Ziemi. No i właśnie, obserwacje astronomiczne pozwalają stwierdzić, w którym momencie ta różnica pomiędzy skalą czasu atomowego a ruchem obrotowym Ziemi wyniosła jedną sekundę. I w takim momencie na poziomie międzynarodowym BIPM, czyli Międzynarodowe Biuro Miar i Wag w porozumieniu z taką instytucją, która nazywa się International Information Service, wydaje komunikat i decyduje o konieczności wprowadzenia tej dodatkowej sekundy przestępnej.

K.G.: Ale będziemy od niej teraz odchodzić?

A.C.: Takie są plany. W tej chwili środowisko międzynarodowe podjęło już wstępnie decyzję, żeby do dwa tysiące trzydziestego roku zrezygnować z tych sekund przestępnych. Z tego powodu, że poprzez coraz większe uzależnienie od dokładnego czasu – dlatego, że obecny rozwój teleinformatyczny różnego rodzaju usług wymaga dokładnego czasu – jakiekolwiek zakłócenie ciągłości działania systemu informatycznego może spowodować, że będą jakieś awarie. Bo sekunda przestępna jest wprowadzana dokładnie o północy albo na przełomie roku, albo na przełomie półrocza, ewentualnie na przełomie kwartału. W Europie jest to oczywiście w nocy, ale już w Stanach Zjednoczonych, Japonii czy Australii to jest dzień. I kiedy działają systemy giełdowe, to bywało tak, że ktoś się pomylił. Albo nie wprowadził sekundy przestępnej, albo wprowadził nie w tę stronę. No ale jeszcze systemy komputerowe, np. system Google, Microsoft, Alibaba, żeby nie wprowadzać skokowej sekundy – bo nie ma sześćdziesiątej pierwszej sekundy, jest tylko sześćdziesiąt sekund w minucie – wydłużały sekundę pół dnia przed i pół dnia po. Albo wydłużały sekundę osiem godzin przed i osiem godzin po. Albo wydłużały przez dwie sekundy, żeby skompensować tę różnicę. Powodowało to, że różne systemy miały czas, który się ze sobą nie zgadzał. Więc jest tu po prostu ryzyko pomyłki. Mówiąc obrazowo, sekundy przestępne są czy były po to, żeby południe wypadało rzeczywiście w południe. Tylko tyle, że w ciągu pięćdziesięciu lat mamy trochę więcej niż trzydzieści sekund przestępnych. 

M.G.: Czyli możemy liczyć, że korzystając z tego czasu atomowego, na południku zerowym Słońce nie będzie górowało rzeczywiście o godzinie dwunastej, tylko np. o dwunastej i piętnaście sekund.

K.G.: To chyba da się z tym żyć. Wymyśliliśmy sobie, że będziemy tę rozmowę publikować dwudziestego dziewiątego lutego, czyli w dniu, który wypada rzadko, bo raz na cztery lata – mamy rok przestępny. Myślicie jako specjaliści od czasu i kalendarza, że to jest dobre rozwiązanie? 

A.C.: Bardzo dobre.

M.G.: Konieczne. Ziemia nie wykonuje dokładnie pełnego obiegu wokół Słońca w trzysta sześćdziesiąt pięć dni, tylko nieco ponad – trzysta sześćdziesiąt pięć i prawie jedna czwarta.

A.C.: Chodzi o to, że po prostu jeżeli nie byłoby lat przestępnych, to w końcu okazałoby się, że Święta Bożego Narodzenia byłyby np. na wiosnę, wakacje wypadałyby jesienią. Czyli zupełnie zmienilibyśmy zgodność kalendarza z naturalnymi porami roku. To prawie jedna czwarta dnia. Skoro prawie jedna czwarta, to znaczy, że co cztery lata mamy rok przestępny. Ale to „prawie” oznacza, że co jakiś czas są wyjątki. Czyli raz na sto lat nie mamy roku przestępnego, ale raz na czterysta lat taki rok przestępny jest. Dwutysięczny rok był podzielony przez cztery, więc powinien być przestępny, ale był podzielony przez sto, więc nie powinien, ale jednak był podzielony przez czterysta. Więc to było wyjątkowe stulecie – rok dwutysięczny, który był rokiem przestępnym. Kolejny taki będzie w dwa tysiące czterechsetnym roku. Natomiast dzięki tym dniom przestępnym rzeczywiście można było kiedyś spokojnie planować np. prace polowe w rolnictwie. Jeszcze przed gregoriańską reformą kalendarza problemem było to, żeby dokładnie określić, kiedy rozpocząć siew. Wiemy, że sieje się w marcu czy na początku kwietnia. Natomiast z czasem ten okres się przesuwał, w związku z czym były osoby, które specjalnie się szkoliły w tym, żeby dokładnie określać, jaki w tym roku będzie najlepszy moment na dokonanie siewu. W tej chwili mamy tak, że wiemy, że święta są wtedy, kiedy potrzeba, tak samo wiadomo, kiedy należy przystąpić do prac polowych. 

K.G.: Jeśli chodzi o takie trochę społeczne kwestie, to jedna z patronek, pani Aleksandra, spytała: „Komisja Europejska zaleca kontynuowanie zmian czasu z letniego na zimowy i odwrotnie do dwa tysiące dwudziestego szóstego roku, chociaż od jakiegoś czasu toczyły się rozmowy o przerwaniu tego procesu. Czy wiadomo, dlaczego prace nad zmianą przepisów zostały przerwane? Co się o tym mówi? Czy są rzetelne, naukowe badania na temat zasadności zmian czasu i jego wpływu na ludzi?”. Czy panowie coś tutaj mogą powiedzieć?

M.G.: To ja może zacznę od końca – czy są rzetelne badania? Jest szereg badań, które badają pewne aspekty wprowadzania zmiany czasu zimowego na letni i z letniego na zimowy. Badane jest m.in. na terenie naszego kraju to, że wtedy zwiększa się liczba wypadków. Z tym że my dokładnie – mówię „my” jako społeczeństwo, naukowcy – nie możemy oddzielić czynników, jakie powodują te wypadki. Być może ta zmiana czasu jest pewnym elementem, który na to wpływa negatywnie lub pozytywnie, ale na pewno tej relacji nie da się określić tak bezpośrednio, ponieważ zmiana czasu jest w takim okresie, kiedy jest wzmożony ruch. Ta zmiana wiosenna, która teraz będzie, często spotyka się ze Świętami Wielkanocnymi, natomiast zmiana z letniego na zimowy jest w ostatni weekend października, kiedy jest zazwyczaj dzień lub kilka dni później święto Wszystkich Świętych, gdzie ten ruch jest naprawdę wzmożony i wypadki są wtedy częstsze. Tak że jednoznacznych badań naukowych wskazujących na zasadność wprowadzania zmian czasu nie ma. Na pewno zostało potwierdzone, że już to uzasadnienie ekonomiczne, które pierwotnie było wskazywane przez polityków jako powód do wprowadzania zmian czasu, jest już w tym momencie pomijane. Natomiast są głównie problemy społeczne odejścia od zmian czasu. Możemy je zauważyć w krajach, w których od tych zmian odstąpiono. Ponieważ konsekwencją decyzji o tym, czy odstępujemy od zmian czasu, jest to, jaki czas wybieramy. Jeżeli pozostaniemy przy czasie letnim, to w okresie letnim będziemy mieli więcej dostępnego światła dziennego wieczorami, natomiast w okresie zimowym będziemy mieli długie, ciemne poranki. W krajach, w których przyjęto takie rozwiązanie, zazwyczaj protestowali rodzice, których dzieci zaczynały lekcje, a nawet o godzinie dziewiątej czy dziesiątej było jeszcze za oknami ciemno. Miały one problemy z koncentracją, były także problemy z bezpieczeństwem na drogach, kiedy dzieci szły do szkoły o takim dużym zmroku. No i musimy także wiedzieć, że w okresie zimowym w Polsce te poranki są najgorsze, jeżeli chodzi o warunki atmosferyczne. Zazwyczaj o poranku jest najzimniej, no i ten moment zaczynania naszego dnia pracy musielibyśmy wtedy przesunąć o godzinę wcześniej.

K.G.: No to zostańmy przy zimowym.

M.G.: Jak zostaniemy przy zimowym, to w okresie zimowym będziemy mogli zachować taki efekt, jaki jest obecnie, natomiast w okresie letnim będzie bardzo wcześnie rano robiło się jasno i o godzinę wcześniej niż obecnie będzie się robiło ciemno wieczorem. No ale w okresie letnim mamy wakacje i chcemy jak najwięcej z tego światła korzystać wieczorem. I z tym się wiąże ekonomia – różnego rodzaju rozrywki na świeżym powietrzu, bary, sporty itd. W Stanach Zjednoczonych zrobiono nawet takie badania, w których badano, jak zmiana czasu wpływa na rynek akcesoriów grillowych i wszelkiego rodzaju aktywności z tym związanych. I to było wymierne, można znaleźć w internecie wymierne korzyści dla gospodarki Stanów Zjednoczonych, że ta dodatkowa godzina dostępności do światła słonecznego jest możliwa do wykorzystania wieczorem. Reasumując, można wysnuć takie stwierdzenie, że sam moment zmiany czasu i efekt tej zmiany jest dla nas niekorzystny, bo musimy się przystosować, szczególnie gdy ta godzina jest nam zabrana. Gdy śpimy krócej, może być to uciążliwe. Natomiast pozytywne jest to, że korzystamy z czasu letniego latem i tę dodatkową godzinę dostępu do światła dziennego wykorzystujemy wieczorem. I korzystamy z czasu zimowego zimą, czyli rano mamy względnie jasno. Takie są korzyści, natomiast tym defektem jest sam moment zmiany. Wybierając jeden czas stosowany przez cały rok, będziemy musieli albo zimą, albo latem liczyć się z pewnymi niedogodnościami.

K.G.: Czyli prace w tej kwestii utknęły gdzieś w komisji, tak? 

A.C.: Prace w kwestii rezygnacji ze zmian czasu rzeczywiście w tej chwili zostały wstrzymane najpierw z powodu pandemii w dwa tysiące dwudziestym roku, a także z tego powodu, że tak naprawdę nie ma wspólnej zgody wszystkich państw członkowskich co do zmian czasu. Owszem, w ankiecie, która pytała o to, czy jesteście za aktualnym stanem, czy za rezygnacją ze zmian czasu, większość ludzi opowiedziała się za rezygnacją, natomiast te kraje, które miały doświadczenie historyczne, że miały np. wprowadzoną taką nienaturalną strefę czasową albo miały czas letni przez cały rok, są przeciwne rezygnacji ze zmiany czasu. W związku z tym nie ma tutaj zgody. Po drugie musimy pamiętać o tym, że pierwotna przyczyna zmian czasu, czyli oszczędności w energii na oświetlenie, być może obecnie nie ma już takiego znaczenia, ale okazało się, że przy zmianach czasu jest lepsze wykorzystanie światła słonecznego w okresie letnim, dzięki czemu korzysta na tym branża turystyczna, sportowa czy hotelarska, ośrodki kultury. Wydajemy przez to więcej pieniędzy, bo więcej czasu spędzamy poza domem i mamy różnego rodzaju pokusy. Natomiast z drugiej strony powrót do zwykłego czasu w okresie zimowym wynika z naszych przyzwyczajeń kulturowych. Ten sam czas jest w Polsce i we Francji czy Hiszpanii, tylko tyle, że nasze szkoły zaczynają pracę typowo od godziny ósmej, a we Francji od godziny dziewiątej. W związku z tym przyjęcie innego czasu powoduje, że dopasowujemy harmonogram dnia do aktualnego czasu, tak żeby to okno naturalnego światła dopasować do tej aktywności, która jest nam najbardziej potrzebna. Tak naprawdę podjęcie dobrej decyzji, czy zmiany czasu są potrzebne, czy nie, jest bardzo trudne. Ludziom się wydaje, że czas letni jest super, no bo jest, więc ten czas stosowany w zimie będzie dobry. Jednak wiemy z doświadczenia, że tak nie jest. Z kolei czas zimowy w zimie jest bardzo dobry. Ale czas zimowy w lecie oznacza krótsze popołudnia. W związku z tym to jest trochę tak jak wylanie dziecka z kąpielą. To jest pytanie, co rzeczywiście jest korzystniejsze. Tak że na razie Unia Europejska wstrzymała te prace. W tej chwili zostało ogłoszenie o harmonogramie zmian czasu do dwa tysiące dwudziestego szóstego roku. Po prostu to jest efekt dyrektywy o zmianach czasu, która nakazuje publikowanie na każde kolejne pięć lat terminów wprowadzania i odwoływania czasu letniego.

M.G.: To jest standardowa procedura trwająca już od dawna, że w okresie pięcioletnim wyznacza się terminy wprowadzania, z tym że te terminy też są zawsze z góry stałe. To jest ostatni weekend marca i ostatni weekend października.

A.C.: Czyli w dwa tysiące dwudziestym szóstym roku najprawdopodobniej może być kolejne rozporządzenie w sprawie harmonogramu zmian czasu na kolejne pięć lat, ale też w każdej chwili, jeżeli będzie konsensus, może być podjęta decyzja o rezygnacji ze zmian czasu i wówczas poszczególne kraje przyjmą daną strefę czasową jako czas urzędowy przez cały rok. I po pierwszej zimie zobaczymy, czy to będzie dla nas dobry wybór. Na razie jest stan zawieszenia. Nie wiadomo, czy jest to stan zawieszenia na kilka lat, czy na więcej. Na razie wydaje się, że Europa ma w tej chwili inne problemy. Były problemy z COVID-em, teraz są problemy z wojną w Ukrainie, które powodują, że na razie mniej się myśli o zmianach czasu.

M.G.: No i należy też powiedzieć, że jeżeli padnie ta decyzja o odstąpieniu od zmian czasu, to nie zostanie ona wprowadzona w życie z dnia na dzień. Będzie ona musiała być wprowadzona na pewno z kilkuletnim wyprzedzeniem, ponieważ okazuje się, że urządzenia elektroniczne, systemy informatyczne, mają zaimplementowane algorytmy do uwzględniania tych zmian czasu. Ponieważ jeżeli wiemy, że standardowo jest to zawsze ostatni weekend marca czy października, to daje się to matematycznie czy nawet z wykorzystaniem kalendarza wyznaczyć. I okazuje się, że głównie w systemach transportowych, w lotnictwie operatorzy potrzebowaliby sporo czasu, żeby takie zmiany wprowadzić i upewnić się, że w momencie odstąpienia od zmian czasu to zamieszanie nie wywoła jakichś konkretnych strat.

K.G.: To na koniec chciałam panów zapytać, jaka jest przyszłość dziedziny mierzenia czasu. Pan Marek zapytał: „Czy istnieją jakieś limity teoretyczne lub praktyczne wyznaczające kres zwiększania tej dokładności? Czy da się teoretycznie mierzyć czas z dowolną dokładnością?”. Trochę łączy się to też z moim pytaniem, które chciałam panom zadać, bo piszecie u siebie na stronie, że cały czas inicjujecie badania naukowe związane z mierzeniem czasu. Co tutaj można jeszcze badać? Jak dalece można doprecyzowywać?

A.C.: Czas to najdokładniej mierzona wielkość fizyczna. O tym, że stałe fizyczne są stałe, wiemy na podstawie wyznaczania dokładnego czasu. Czyli jeżeli potrafimy odtwarzać czas na poziomie dwa razy dziesięć do minus szesnastej – to jest jedna sekunda na chyba dwieście, trzysta milionów lat, o tyle by się mógł pomylić zegar, gdyby mógł tak długo pracować – to wiemy, że na tym poziomie stałe fizyczne są rzeczywiście stałe. Im dokładniej wyznaczamy czas, tym możemy mieć dokładniejszą informację na temat zjawisk fizycznych zachodzących czy to w atomach, czy w strukturach układu atomów. W ten sposób następuje wzrost poznania wiedzy. To jest jedna rzecz. Druga rzecz – dokładny czas to dokładna nawigacja. W tej chwili zegar, który ma dokładność jednej sekundy na te dwa, trzy miliony lat na Ziemi, umożliwia synchronizację satelitów GPS-u na poziomie kilku, kilkunastu nanosekund. I wtedy mamy nawigację na poziomie trzech, czterech, pięciu metrów. Jeżeli chcemy mieć większą dokładność nawigacji, potrzebujemy dokładniejszego czasu. Jeżeli chcemy mieć lepsze szyfrowanie, potrzebujemy bardziej odpornych algorytmów szyfrowania, żeby były odporne na zhakowanie. To też wymaga bardzo dokładnej częstotliwości. W tej chwili synchronizacja umożliwia rozwój telekomunikacji, czyli sieci 5G, 6G. Mając dokładną częstotliwość, lepszą synchronizację, możemy sobie z tym poradzić. W energetyce dokładna synchronizacja oznacza mniejsze straty energii. Ale również mniejsze ryzyko blackoutów – chyba że popełnimy błąd. Bo w tym momencie sprawa jest prosta – jeżeli by zabrakło prądu, to przestałyby działać internet, telefony komórkowe, nie mielibyśmy pieniędzy. Dwa dni bez prądu i w zasadzie cofamy się do epoki kamienia łupanego. I wtedy są ogromne zamieszki, rozruchy. Tak że w tej chwili nasze uzależnienie od wyższych technologii polega na tym, że kwestia synchronizacji się rozwija. Kwestia eksploracji Kosmosu też wymaga dokładnego czasu, dokładnej częstotliwości. No i coraz dokładniejsze badania naukowe. W tym kierunku to wszystko staramy się rozwijać i chcemy też brać w tym udział.

M.G.: Reasumując, aktualne obszary rozwoju tej technologii mogą się rozwijać w dwóch kierunkach. Rozwój stabilnych wzorców częstotliwości i takie wzorce w Polsce są rozwijane w Toruniu na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika, są tam wzorce optyczne. Ale planujemy to też rozwijać w Głównym Urzędzie Miar w kampusie laboratoryjnym, który jest obecnie budowany, i w tym roku będzie oddawany do użytku w Kielcach. To jest kampus laboratoryjny, gdzie będą prowadzone prace badawcze, rozwojowe na rzecz rozwoju metrologii, m.in. czasu. Będzie tam laboratorium czasu i częstotliwości. A drugi kierunek to jest rozwój technologii, technik transferu czasu i częstotliwości. W Polsce mamy też dość duże osiągnięcia. Nie mówię jako Główny Urząd Miar, ale jako inne jednostki, z którymi współpracujemy, m.in. AGH, która rozwija technologie czy urządzenia nadawczo-odbiorcze transferu w systemie światłowodowym. Są firmy, które rozwijają takie technologie, które już są komercjalizowane – technikę NTP, serwery wykorzystujące pewien rodzaj protokołu – White Rabbit. Jest też firma, która produkuje odbiorniki dedykowane do wykorzystania sygnałów nawigacji satelitarnej do porównywania wzorców atomowych. I te odbiorniki są instalowane na świecie w takich laboratoriach jak nasze. Czyli ten rozwój w Polsce już istnieje, natomiast jest jedno ważne pytanie – czy istnieje limit dokładności wyznaczania sekundy? Mówi się dużo o teoriach – tutaj tak naprawdę limitem będzie fizyka. Mówi się o kwantach czasu itd., natomiast z tego, co wiem, nie jest potwierdzone, żeby był określony jednoznaczny limit możliwości wyznaczenia dokładności jednostki czasu.

A.C.: Troszeczkę fizyki – jeżeli chcemy policzyć, o ile zmieni się upływ czasu przy zmianie wysokości np. o jeden metr, to trzeba podzielić zmianę energii potencjalnej przez MC2. Czyli mamy M razy G razy delta H, podzielimy przez MC2. M się skróci, C to jest trzy razy dziesięć do ósmej metra na sekundę, kwadrat to będzie dziewięć razy dziesięć do potęgi szesnastej metra na sekundę. Ale tę dziewiątkę możemy skrócić z przyspieszeniem ziemskim. Wychodzi nam, że na jednym metrze mamy jeden razy dziesięć do minus szesnastej zmiany upływu czasu. I to są fontanny cezowe, czyli takie specjalne zegary z atomami cezu. Jak zegary optyczne będą miały stabilność na poziomie jeden razy dziesięć do minus osiemnastej, a zegary jądrowe, nuklearne do poziomu minus dwudziestej, to minus osiemnasta to już jest jeden centymetr zmiany wysokości. I taki zegar zmienia już swoje wskazanie. Minus dwudziesta to z jednego centymetra mamy sto razy mniej, czyli jedną dziesiątą milimetra. Czyli przy jednej dziesiątej milimetra już ten czas płynie inaczej. Więc jeżeli mielibyśmy zegar, który miałby stabilność na poziomie jeden razy dziesięć do minus dwudziestej, to w zasadzie musielibyśmy mieć dokładność ułamka milimetra i jego pozycji. Natomiast geoida jest w tej chwili zdefiniowana dynamicznie. Dlatego, że ziemia mokra jest cięższa, a ziemia sucha jest lżejsza, to w zależności od opadów poziom geoidy ulega wahaniom. Więc i tak, i tak w pewnym momencie przestaniemy mieć możliwość bardzo dokładnego odniesienia czasu dlatego, że ten czas będzie podlegał zmianom. 

K.G.: Ograniczenia środowiska trochę nas ograniczą.

A.C.: Dokładnie tak. 

M.G.: Abstrahując od tego, czy jest jakiś teoretyczny limit możliwy do osiągnięcia, aby wyznaczyć dokładnie czas, musielibyśmy prowadzić szereg bardzo dokładnych pomiarów otoczenia itd. i to fizycznie nie będzie możliwe, żeby tak precyzyjnie wyznaczać poprawki, które da się zastosować do bardzo dokładnych zegarów.

A.C.: Mówi się o tzw. czasie Plancka. To jest dziesięć do potęgi minus dwudziestej czwartej sekundy. Wracamy do pewnego pytania na temat struktury czy tego, czym jest czas, ale do końca nie wiemy, czy czas jest ciągły, czy nie. Tak samo nie wiemy, czy czas to jest tylko coś, co nam pomaga zrozumieć kolejność zachodzących zdarzeń oraz ich dynamikę. Natomiast czy on istnieje? Wiemy, że istnieje zmienność, ale to jest tak samo, jak z pytaniem, czy istnieje temperatura. Potrafimy mierzyć temperaturę, ale czy ona sama w sobie istnieje? Porównujemy stany termodynamiczne. Z czasem może być tak, że porównujemy tylko, co kiedy się wydarzyło. Na razie można przyjąć, że mówi się o poziomie jeden razy dziesięć do minus dwudziestej wartości względnej. To jest taka granica stabilności zegarów atomowych, zegarów jądrowych, nuklearnych. Natomiast sam pomiar przedziału czasu… Czasami są zjawiska femtosekundowe, czyli dziesięć do potęgi minus piętnastej. Są też attosekundowe, czyli do potęgi minus osiemnastej. Mamy więc jeszcze sześć rzędów wielkości niżej do zdobycia. 

K.G.: Fascynujące to wszystko jest. Bardzo panom dziękuję za rozmowę. Doktor Albin Czubla, zastępca dyrektora Zakładu Czasu i Długości Głównego Urzędu Miar. Dziękuję serdecznie.

A.C.: Dziękuję bardzo.

K.G.: Pan doktor inżynier Maciej Gruszczyński, kierownik Laboratorium Nowych Technologii Czasu i Długości. Dziękuję serdecznie.

M.G.: Dziękuję.

K.G.: I jak już mówiliśmy, kierownik projektu e-Czas. Gdzie można ściągnąć aplikację?

M.G.: Wszystkich informacji o projekcie można dowiedzieć się ze strony e-czas.gum.gov.pl. 

K.G.: Do czego zachęcam. Dziękuję bardzo.

Dodane:
957

Notatnik

Jeśli chcecie zawsze znać najdokładniejszy czas, polecam aplikację „Zegar e-Czas.pl”, która czerpie dane prosto z serwerów GUM. Można też korzystać z poziomu przeglądarki:

https://e-czas.gum.gov.pl/

Więcej o aktualnych definicjach miar:

https://www.gum.gov.pl/pl/redefinicja-si/redefinicja-si/5462,Redefinicja-Miedzynarodowego-Ukladu-Jednostek-Miar-SI.html

A tak to wyglądało w 1956 roku…

 

Mężczyzna w średnim wieku, brunet z krótkimi włosami, patrzy z uśmiechem w obiektyw. W tle komputery

dr Albin Czubla

Zastępca dyrektora Zakładu Czasu i Długości w Głównym Urzędzie Miar. Specjalista od metrologii czasu i częstotliwości.

Mężczyzna po trzydziestce, z zarostem w okularach o ciemnych oprawkach. Patrzy z uśmiechem w kierunku obiektywu, za nim komputery

dr inż. Maciej Gruszczyński

Kierownik Laboratorium Nowych Technologii Czasu i Długości w Głównym Urzędzie Miar.

Obserwuj Radio Naukowe

Czas – czy musi płynąć w jednym kierunku? | prof. Jerzy Lewandowski
Nr 177
1:22:17
3,3 tys.
1:22:17
3,3 tys.
Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Dokładność pomiaru – czy naukowcy potrafią mierzyć świat? | Dariusz Aksamit
Nr 150
55:23
1,4 tys.
55:23
1,4 tys.
Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Ulubione

Skip to content