SMOLENSK CZAS LETNI CZY ZIMOWY?

 

Zegar na panelu przyrządów jest zawsze. W samolotach komunikacyjnych, zaopatrzonych w komputer nawigacyjny, przyrządy radionawigacyjne i masę innych rzeczy, zegar ginie wśród innych instrumentów. A tak naprawdę, to na potrzeby nawigacji lotniczej pracuje sporo rozmaitych zegarów, zarówno na pokładzie samolotu, na lądzie a także w przestrzeni okołoziemskiej.
Od zarania nawigacji przyrząd mierzący upływ czasu zalicza się do narzędzi podstawowych. Pojęciem czasu, a konkretnie jego pomiarem, posługujemy się właściwie stale. Kolejność wydarzeń określamy umieszczając je na skali czasu, liczonej od momentu powszechnie uznanego za początek. Tą skalą mierzymy także czas trwania zjawisk lub procesów. Przebytą drogę zlicza się według prędkości i upływu czasu, częstotliwości określa się mierząc czas jednego okresu, wypuszcza się fale radiowe i mierzy czas, po którym wrócą ich odbite albo odesłane resztki, aby określić odległość. A to tylko kilka z masy rzeczy, zależnych od pomiaru czasu.

Pomiar czasu, jako taki, polega na przyrównywaniu mierzonego przedziału czasu do jednostki, czyli wzorca. Za wzorzec czasu przyjmuje się zjawisko okresowe o możliwie dużej stałości okresu. Najdawniejszymi wzorcami czasu były zjawiska astronomiczne.
Praktyczna rachuba czasu była oparta o zjawiska naturalne; zmianę dnia i nocy czyli dobę słoneczną i cykl pór roku. Ten ostatni pokrywa się z okresem zmian wysokości Słońca ponad horyzontem.
Krótsze od doby okresy czasu wyznaczał zegar słoneczny. Przy braku słońca albo nocą czas odmierzano rozmaitymi patentami w rodzaju klepsydr czy świec ze skalą. Kryła się w tej praktyce pewna śmiesznostka: okresy czasu odmierzane taką np. klepsydrą były, owszem, niedokładne, ale z grubsza jednakowe, w przeciwieństwie do godzin słonecznych. Jeżeli tarczę zegara słonecznego podzieli się na równe sektory, godziny poranne i popołudniowe są krótsze niż te koło południa.

Kto i kiedy wpadł na pomysł wytwarzania zjawisk okresowych krótszych od doby bliżej nie wiadomo, i zastanawianie się nad tym nie ma sensu; przecież darcie się na służbę, żeby obróciła klepsydrę, to też zjawisko okresowe. W każdym razie najstarsze zegary mechaniczne są datowane na poczatek XIV wieku. Były one przeważnie budowane w wieżach, miały napęd obciążnikowy i, dla tradycji, wskazywały nierówne godziny. Jako okresowy regulator chodu stosowano wówczas tak zwane wrzeciono (inaczej szpindel), układ taki sam jak w napędzie młoteczka budzika mechanicznego, ale zaopatrzony w masywne przeciwwagi (kolebnik) dla wydłużenia okresu wahań. Zegary tego typu były niedokładne, ponieważ okres wahań kolebnika zależał bardzo silnie od siły napędu. Tym niemniej szpindel z kolebnikiem bardzo długo był jedynym znanym regulatorem chodu. Budowano nawet zegary noszone, tzw. jaja norymberskie (pierwszy zbudował w 1510 r. Piotr Henlein z Norymbergi). Taki regulator spotyka się jeszcze w minutnikach kuchennych - pewnie dlatego nigdy mi nie wychodzą jajka na miękko.
Budowę dokładnych zegarów zapoczątkowało dopiero zastosowanie wahadła. Już Galileusz zaobserwował, że okres ruchu swobodnego wahadła zależy od jego długości, a nie od amplitudy wychyleń. W 1656 roku holenderski uczony (i przy okazji świetny technik) Christian Huygens zbudował zegar wahadłowy o niewiarygodnej dokładności 1 minuty na dobę. Tenże Huygens był wynalazcą balansu, czyli kółka na osi ze spiralną sprężyną, mającego tę samą właściwość co wahadło.

Pewnie ci z Was którzy wytrwali aż do tego miejsca, pytają w duchu co to wszystko ma wspólnego z nawigacją. Otóż dużo (a poza tym bardzo lubię zegary). Od dawna było wiadomo, że dokładny pomiar czasu jest podstawą działania najwspanialszego systemu radionawigacyjnego wszechczasów - astronawigacji (światło widzialne to też fale elektromagnetyczne).
W miarę posuwania się na Zachód obserwowane południe słoneczne, czyli moment górowania Słońca, wypada coraz później. Opóźnienie to, liczone od południka na którym nasz zegar precyzyjnie wskazywał południe słoneczne, umożliwia łatwe określenie południka, na którym poczyniono obserwację, inaczej mówiąc określenie aktualnej długości geograficznej. Potem wypada już tylko wyliczyć szerokość na podstawie kątowej wysokości Słońca nad horyzontem. Nocą można użyć charakterystycznych gwiazd stałych. Oczywiście jest to brutalne uproszczenie, ale przecież mam pisać o zegarze.
Tymczasem żeglowano sobie wzdłuż brzegów, co najwyżej odważając się na jakiś skrót ze znanym kursem. Jak ktoś wybierał się na oceany to miał do dyspozycji kompas, parę przyrządów astronomicznych i wielką odwagę. Wyruszał albowiem dosłownie w nieznane: nie wiedział co go spotka, ani gdzie właściwie jest. Kolumb do końca życia nie wiedział, co odkrył, a Kortez nie zastanawiał się gdzie, tylko ile można ukraść.

Zegary nie sprawdzały się na pokładach okrętów. Kolebnikowe były niedokładne, balansowe niewiele lepsze, a wahadłowe w ogóle nie mogły działać. Problem leżał nie tyle w konstrukcji oscylującego obiektu, ile w tym, że aby mógł on utrzymywać stały okres, musi być możliwie swobodny (Galileusz się kłania !). Innymi słowy, potrzebny był wychwyt, czyli mechanizm, który odbierze od czegoś merdającego się impuls zliczania czasu, a potem jeszcze przekaże temu czemuś energię do dalszego merdania. Wszystko jak najdelikatniej i w jak najkrótszym czasie, aby nie zakłócić ruchu. A wrzeciono, naciskające stale na regulator, nie nadawało się do tego zupełnie.
Najlepsze wyniki miał wychwyt kotwicowy, pomysłu Anglika Williama Clementa (1671), gdzie balans lub wahadło łączył z resztą mechanizmu element zwany kotwicą (nawet w dzisiejszych wykonaniach kształtem przypomina kotwicę statku). Długi trzon kotwicy na ułamek sekundy sprzęgał się z wahadłem, a dwa odpowiednio ukształtowane ramiona pozwalały kołu ze skośnymi zębami (tzw. wychwytowemu) przeskoczyć tylko o jeden ząbek w czasie każdego półokresu wahadła. Z udoskonalonego przez Thomasa Mudge'a wychwytu Clementa wywodzą się prawie wszystkie spotykane dziś rozwiązania zegarów mechanicznych.

W roku 1714 brytyjski parlament wyznaczył nagrodę 20 000 funtów (dziś około 2 milionów funtów) dla konstruktora zegara okrętowego, który utrzyma dokładność wyznaczenia długości geograficznej do pół stopnia na całej trasie z Anglii do brytyjskich Indii Zachodnich (Ameryka Środkowa), czyli mniej więcej dwie sekundy na dobę.
Pierwszy zegar, który spełniał te wymagania, powstał dopiero w 1761 roku, a zbudował go John Harrison, zegarmistrz - samouk. Zastosował on dwa przeciwbieżnie sprzężone balansy po 3 kg każdy i wychwyt własnego pomysłu. Jako stolarz z zawodu, Harrison zbudował swój pierwszy chronometr z drewna, ale nie była to jakaś fanaberia: konstruktor doskonale wiedział, że drewno ma bardzo małą rozszerzalność cieplną, a cieplne zmiany oporów i elastyczności sprężyn są drugim z kolei źródłem kłopotów z dokładnością zegarów. Czwarty jego chronometr miał już metalową konstrukcję, pojedyńczy balans i wychwyt Francuza Le Roya (bez kotwicy, znany dziś jako wychwyt chronometrowy), dzięki czemu utrzymywał dokładność około 0.2 sekundy na dobę. Harrison zresztą do późnej starości prawował się o swoją nagrodę z kolejnymi dyrektorami królewskiego obserwatorium astronomicznego w Greenwich, które to zostało w 1840 roku uznane za źródło uniwersalnej rachuby czasu, a jego lokalny południk za południk "zero".
Dzisiejsze mechaniczne chronometry morskie mają dokładność rzędu 0.05 sekundy na dobę, ale wiele ich rozwiązań konstrukcyjnych, dotyczących kompensacji termicznej i redukcji tarcia, pochodzi z chronometrów Harrisona.

W pionierskich czasch lotnictwa zegar najczęściej był "zamontowany" w kieszonce pilota, i słuzył głównie do kontroli czasu lotu (brak paliwomierza !). Astronawigacja lotnicza zaczęła się dopiero wraz z pocztowymi przelotami dalekodystansowymi. Wtedy dokładny zegar na pokładzie stał się konieczny, podobnie jak kopułka astronawigacyjna do wykonywania obserwacji nawigacyjnych. Kopułkę "astro" spotyka się jeszcze w samolotach z lat pięćdziesiątych.

Klasyczne zegary lotnicze są zwykłymi precyzyjnymi zegarami mechanicznymi z wychwytem tzw. szwajcarskim, dość podobnym do genialnej konstrukcji Clementa z roku 1671. Zwyczajowa nazwa "chronometry" jest myląca - w zegarach lotniczych nigdy nie stosowano mechanizmów chronometrowych z powodu ich wrażliwości na wstrząsy. Prawdziwymi chronometrami były tylko chronometry morskie, chociaż od roku 1954 oficjalniy certyfikat chronometru wydaje się zegarom niezależnie od konstrukcji.

Dobre mechaniczne zegary lotnicze działają z dokładnością 0.5 sekundy na dobę.
Na zdjęciu górnym - rosyjski zegar lotniczy z ośmiodniową rezerwą chodu, wyprodukowany w 1941 roku. Nadal na chodzie.
Poniżej popularny u nas zegar ACzCh z roku 1961.
Oba zegary mają grzałkę z tyłu obudowy. Natomiast żaden z nich nie ma urządzenia przeciwwstrząsowego, ponieważ sprężyste zawieszenie łożysk balansu co prawda chroni cienkie czopy osi, ale powoduje "zgubienie" czasu trwania wstrząsu. Jako że samoloty z napędem tłokowym drgały stale, trzeba było wykonać cały regulator bez "wodotrysków" naprawdę dokładnie i z najlepszych materiałów.

Z czasem zegary lotnicze wzbogacono o nowe elementy: stoper, niezależną skalę do wskazywania czasu lotu, tarczę do określania czasu lokalnego, a niekiedy także w skalę rezerwy chodu.
Skoro już mowa o czasie lokalnym i czasie uniwersalnym, to właśnie one zadały zegarom mechanicznym niespodziewany cios, posługując się, żeby było dziwniej, pewnym obiecującym elementem radiotechnicznym.
Głównym bodźcem dla uporządkowania spraw związanych z czasem, który każde większe skupisko ludzkie miało swój (słoneczny), był rozwój kolei. Opracowanie rozkładów jazdy pociągów, jeżeli na trasie obowiązuje np. 300 czasów lokalnych (jak to było w Stanach Zjednoczonych), to lekki koszmar. Wprowadzono zatem tzw. czasy kolejowe. Był to klasyczny półśrodek, albowiem na styku linii kolejowych występowały zabawne zjawiska. W Warszawie na przykład między dwoma dworcami kolejowymi była różnica 37 minut (złośliwi twierdzą że teraz jest więcej).
Wreszcie na Konferencji Waszyngtońskiej w roku 1884 podzielono świat na 24 strefy czasu, po 15 stopni długości geograficznej każda. Strefę zerową ustanowiono po 7,5 stopnia na wschód i zachód od południka Greenwich.
W każdej strefie obowiązuje czas właściwy dla centralnego południka strefy, czyli o godzinę późniejszy w stosunku do czasu strefy leżącej na wschód. Wszyscy mają swoje południe z grubsza o dwunastej, bez wielkich wyliczeń wiadomo gdzie jest jaka godzina i jak się ma uniwersalny czas Greenwich (GMT - Greenwich Mean Time), według którego się nawiguje, do czasu lokalnego w każdym zakątku świata.
Dostojni uczestnicy konferencji, co to rozprawiła się z bałaganem, otrzepali przednie łapki i poszli do swoich zajęć. Życie natomiast poszło swoim torem. W takim Kabulu na przykład, jeszcze w latach czterdziestych naszego stulecia oficjalne południe wyznaczał wystrzał z działa ustawionego przed pałacem emira. Obsługujący działo gwardzista co rano regulował swój zegarek według zegara w witrynie zegarmistrza (podobno Szwajcara). A zegarmistrz, człek sumienny, regulował zegar z witryny według wystrzału z działa, punktualnie w południe.

No właśnie: sprawa wzorca czasu i jego dokładnego przestrzegania na całym świecie, czyli dystrybucji czasu wzorcowego. W XIX i w pierwszej połowie XX wieku zegarami wzorcowymi były precyzyjne zegary wahadłowe, utrzymywane najczęściej przez obserwatoria astronomiczne. Od wynalezienia elektrycznego napędu wahadła i elektrycznej transmisji impulsów czasu nie miały one w ogóle tarczy ze wskazówkami - czas pokazywały tzw. zegary wtórne, połączone z regulatorem przewodem. Rozwiązanie to zostało prawie natychmiast zastosowane tam, gdzie wiele zegarów musi wskazywać jednakowy, a co ważniejsze dokładny czas: na stacjach kolejowych, w budynkach instytucji i służb publicznych, na pokładach statków. W takich sieciach czasu precyzyjny zegar pierwotny napędza zegary wtórne, będące właściwie licznikami impulsów.
Wymagania co do dostępności i dokładności wzorców czasu wciąż rosły, a wahadłowe zegary konstrukcji Rieflera lub Shortta były drogie i kłopotliwe w utrzymaniu. Ciężkie i superprecyzyjne mechanizmy w hermetycznych obudowach musiały być ustawiane w pomieszczeniach o stałej temperaturze i na masywnych fundamentach, izolujących je od drgań budynków.

Wraz z rozpowszechnieniem radia rozpoczęto nadawanie informacji o czasie, najpierw w postaci komunikatów, później także w postaci dokładnych sygnałów do zastosowań profesjonalnych.
A radio borykało się swego czasu z tym samym problemem - kłopotami z utrzymaniem stałości drgań generatorów. Fale emitowane przez radiostację powinny zajmować jak najwęższe pasmo, czyli mieć jedną, jak najdokładniej określoną częstotliwość. Pierwsze nadajniki radiowe wysyłały właściwie szerokopasmowe zakłócenia, tyle że modulowane. Później, co prawda, opanowano technikę generacji "czystej" fali, ale ze stabilizacją częstotliwości nadal było nie najlepiej. Rozwiązaniem okazało się znane od XIX wieku zjawisko piezoelektryczne, a właściwie jego "druga strona". Odpowiednio wycięty kawałek kryształu, pobudzany zmiennym polem elektrycznym, drga z bardzo stabilną częstotliwością, zależną od swych wymiarów i kształtu. Drgając, sam wytwarza zmienny potencjał elektryczny. Można powiedzieć, że "poprawia" napięcie pobudzające, i to do milionowej części procenta. Stabilizację częstotliwości nadajnika elementem z płytki kwarcu, czyli rezonatorem kwarcowym, zastosował po raz pierwszy amerykański inżynier W.G. Cady w 1922 roku. A już w roku 1929 W.A. Marrison zbudował pierwszy kwarcowy wzorzec częstotliwości, nazwany "zegarem kwarcowym".
Zastosowanie rezonatora kwarcowego w roli regulatora zegarowego było kwestią nie tyle czyjegoś genialnego pomysłu, co zapotrzebowania na precyzyjne pomiary częstotliwości ze strony radiotechniki, mocno popchniętej do przodu, trochę paradoksalnie, zastosowaniem tegoż rezonatora.
Aby wzorzec częstotliwości stał się prawdziwym zegarem, wskazującym godziny, minuty i sekundy, trzeba dość wysoką częstotliwość rezonatora zmniejszyć drogą podziału, do poziomu pozwalającego na mechaniczne (lub lepiej elektryczne) policzenie i pogrupowanie w jednostki czasu. W czasach lamp elektronowych, pierwszych tranzystorów i początków układów scalonych takie dzielniki częstotliwości były drogie, duże i prądożerne, toteż zegary kwarcowe stosowano tylko jako wzorcowe. A jest to wzorzec tak dokładny, że posługując się nim zdajemy sobie sprawę z nieregularności ruchu obrotowego Ziemi (średnio około 0.001sekundy), i z tego, że Ziemia pomalutku zwalnia (około 0.001sekundy na 100 lat). Dokładność kwarcowych zegarów laboratoryjnych wynosi 10^-9 % (0. 000 000 001 %).
Opanowanie produkcji układów scalonych wielkiej skali integracji umożliwiło konstrukcję użytkowych modeli zegarów kwarcowych. Były one dokładniejsze od mechanicznych, miały mało (albo i nic) podatnych na uszkodzenia części ruchomych, a ponadto praktycznie nie wymagały regulacji. W ciągu kilku lat tanie i proste w produkcji zegary elektroniczne wszelkich typów i klas zepchnęły zegar mechaniczny do roli eksponatu muzealnego lub snobistycznej biżuterii.
Oczywiście nie obyło się bez walki. Długo jeszcze zegary mechaniczne o napędzie elektrycznym konkurowały ceną i trwałością z kwarcowymi.

Najprostszą formą napędu elektrycznego był elektryczny naciąg sprężyny napędowej. Takie zegary lotnicze są spotykane do dziś - zwykle mają one kilkudniową rezerwę chodu i dodatkowy naciąg ręczny.
Inną formą napędu elektrycznego jest bezpośredni napęd balansu, gdzie właściwie nie ma wychwytu; pozostaje tylko mechaniczny licznik wachnięć. Było wiele rozwiązań elektrycznego napędu balansu, przeznaczonych głównie dla zegarów domowych. Ich zaletą był brak konieczności nakręcania. No, jeszcze niska cena - przekładnie nie przenosiły praktycznie żadnych obciążeń, więc wykonywano je z plastyku.
Jedyne w swoim rodzaju były zegary i zegarki systemu Bulova z regulatorem w postaci pobudzanego elektromagnetycznie kamertonu. Dorównywały one dokładnością zegarom kwarcowym, ale były drogie i wrażliwe na wstrząsy. Większość produkowanych obecnie zegarów lotniczych to zegary elektroniczne. Poza typowymi funkcjami, właściwymi zegarom lotniczym, mają wiele dodatkowych: wskazywanie czasu GMT i czasów lokalnych oraz kilka timerów do przypominania o upływie nastawionego czasu (np. przewidywane czasy na punktach trasowych). Charakterystyczne dla lotniczych zegarów z wyświetlaczami jest automatyczne dostosowanie jasności świecenia do oświetlenia zewnętrznego.

Pod wpływem "kwarcowej rewolucji" zegary i zegarki mechaniczne zeszły do roli mniej lub bardziej luksusowych oznak prestiżu, dawnej solidności, może nawet opozycji w stosunku do cywilizacji elektronicznych jednorazówek. Rzecz ciekawa, po początkowej zapaści produkcja czasomierzy mechanicznych rośnie; coraz więcej ludzi chce nosić na ręku małe arcydzieło klasycznej mechaniki, może nie tak dokładne, jak elektroniczne, ale za to "z duszą".
Sama konstrukcja mechanizmu zegarka noszonego też się zmienia; zastosowano wychwyt współosiowy (koaksjalny), w którym zredukowano wpływ tarcia praktycznie do zera, pojawiły się hybrydy mechaniczno - elektroniczne, takie jak Eco-Drive i Spring Drive firmy Seiko. O ile Eco-Drive i pokrewne są właściwie zegarkami kwarcowymi, w których poruszany ruchami ręki wahnik (taki sam, jak w klasycznym mechaniźmie automatycznym) napędza subminiaturową prądnicę, w Spring Drive napędzany zegarkową sprężyną generator jest jednocześnie regulatorem. Wytwarza prąd do zasilania elektroniki, która z kolei reguluje jego obroty tak, by zegarek osiągał dokładność lepszą niż 1s na dobę.

Istna rewolucja, wywołana kryształkiem kwarcu, miała znacznie donioślejsze skutki dla lotnictwa, niż zmiana czasomierza pokładowego na dokładniejszy. Mianowicie powoli (ale skutecznie !) wygoniła ona astronawigację z pokładów samolotów. Na zdjęciu: wnętrze oscylatora kwarcowego (powiększenie 2x, kwarc to ten półprzezroczysty krążek z jasną elektrodą).

Generatory stabilizowane kwarcem są idealnym środkiem do odmierzania krótkich odstępów czasu, a precyzyjne wyznaczanie zależności czasowych jest podstawą działania większości systemów radionawigacyjnych i radiolokacyjnych, a właściwie całej współczesnej elektroniki. Większość systemów pokładowych i naziemnych wykorzystuje kwarcowe źródła przebiegów taktujących (zwanych zegarowymi) oraz częstotliwości radiowych. Ciężko wskazać profesjonalne urządzenie elektroniczne, nie zawierające czegoś takiego.
Żeby nie było za dobrze, częstotliwość rezonatorów kwarcowych zmienia się z temperaturą - niewiele, ale znacząco. Ponadto z czasem tracą one dokładność na skutek trudnych do przewidzenia zmian w strukturze krystalicznej. Dzieje się tak dlatego, że rezonator ma pewną wspólną cechę z zegarem mechanicznym: kryształ mechanicznie drga, zgodnie ze swoją częstotliwością. Prawdopodobnie na trwałość kwarcu mają wpływ defekty sieci krystalicznej, które są w każdym krysztale.

Pierwsze satelitarne systemy nawigacyjne także posługiwały się kwarcowymi wzorcami częstotliwości. Niesamowitego nakładu pracy wymagało skonstruowanie odpowiednio dokładnych zegarów kwarcowych, w dodatku zdolnych do stabilnego działania w warunkach orbitalnych. Wystarczy pomyśleć, że bez ochrony atmosfery powierzchnia sztucznego satelity jest podgrzewana przez Słońce do kilkuset stopni Celsjusza (chyba z zemsty za tę astronawigację), żeby w cieniu spaść do minus stu paru stopni. Do tego próżnia, promieniowanie kosmiczne - brr.
W pierwszym satelitarnym systemie nawigacyjnym, nazwanym Transit (rok 1960), zamierzano zastosować selekcjonowane typowe kwarce radiowe, umieszczone w potrójnym naczyniu Dewara z termostatem. Gwoli zapewnienia możliwie dużej bezwładności cieplnej, dewar zaprojektowano dość masywny, z aluminium, ale rozsypał się przy teście na wibracje. Konstruktorzy zastosowali zatem materiał z warstw metalizowanego mylaru przekładanego watą szklaną, pierwotnie pomyślany jako izolacja lodówek. Dwa pierwsze satelity systemu, budowane w warsztatach Applied Physics Laboratory, miały sprawdzić czy to w ogóle ma szansę działać. Oba pracowały po 13 lat na orbicie, a średnia stabilność częstotliwości wynosiła 10^-10.

Pęd do zmniejszania rozmaitych rzeczy zaznaczył się w dziedzinie wzorców czasu w sposób dość zaskakujący: zaczęło się od ogromnego Słońca i gwiazd, potem kolebniki ze szpindlem, wahadło, aż do malutkiego kwarcu i w końcu do pojedyńczego atomu. Otóż przyjęta w 1967 roku definicja sekundy głosi iż jest to "czas trwania 9192631770 okresów promieniowania, odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego cezu 133". Jest to właśnie słynny atomowy wzorzec czasu, zwany potocznie zegarem atomowym.
Zasada działania wzorca atomowego jest znana od czasu powstania fizyki kwantowej. Opiera się na jednej z podstawowych własności materii, głoszącej iż atom lub molekuła może przyjąć z zewnątrz energię w postaci fali elektromagnetycznej, przechodząc tym samym na wyższy poziom energetyczny. Energia ta jest oddawana po ściśle określonym czasie, zależnym od użytego pierwiastka lub związku, i wszystko wraca do poprzedniego stanu (to są właśnie te "poziomy nadsubtelne").
Techniczne środki do realizacji idei pojawiły się pod koniec lat trzydziestych, ale działający model wzorca zbudowano dopiero w roku 1949. Był to przyrząd, poetycko nazwany maserem amoniakalnym. Maser ów (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) działał na zasadzie pobudzenia molekuł amoniaku przez mikrofale o dość szerokim widmie częstotliwości. W zamkniętym w dziesięciometrowej rurze amoniaku następowała wymuszona emisja promieniowania, i wśród fal na wylocie rury pojawiały się wyraźnie wzmocnione te o długości 1.26 cm, charakterystycznej dla amoniaku.
Znacznie lepsze wyniki uzyskiwano używając par pierwiastków takich jak sód, cez i rubid. Pierwszy użytkowy zegar atomowy (ten amoniakalny był właściwie molekularny, nie atomowy) z 1957 roku działał z parami cezu (izotop Cs 133), traktowanymi już oszczędniej mikrofalami z zakresu 9 GHz (zastosowano stabilizację kwarcem !). Częstotliwość rezonansu atomowego cezu wynosi równo 9192631770 Hz, i taką właśnie, z dokładnością 10^-12 %, otrzymuje się na wyjściu. Trzeba to wszystko policzyć, puszczając na odpowiednie dzielniki częstotliwości, i jest zegar.
W Polsce pierwsze zegary atomowe zbudowano w roku 1960: maser amoniakalny w Instytucie Fizyki PAN w Poznaniu, i równocześnie wzorzec cezowy w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie.

Zastosowanie atomowych wzorców czasu umożliwiło powstanie globalnych systemów nawigacyjnych. Właściwie powinienem napisać: sztucznych systemów nawigacyjnych o zasięgu globalnym, bo system naturalny, czyli Słońce i gwiazdy, istnieje od początku świata. No cóż, systemy sztuczne są dokładniejsze od naturalnego i działają niezależnie od pory doby i pogody.
Pierwszym "atomowym" był hiperboliczny system nawigacyjny Omega, którego zaledwie osiem radiolatarni naziemnych, sterowanych zegarami atomowymi, pozwalało na określenie pozycji z dokładnością 1 do 4 mil morskich niemal na całym świecie.
Największe dotychczasowe osiągnięcie w dziedzinie systemów nawigacyjnych, satelitarny system GPS Navstar także istnieje dzięki zegarowi atomowemu. Na pokładzie każdego z jego satelitów są cztery zegary atomowe: dwa cezowe i dwa rubidowe. Analogiczny rosyjski system GLONASS bazuje na zdwojonych wzorcach cezowych.

Jednak zegar atomowy nie jest idealny. Jest mianowicie za dokładny. Chodzi o to, że zjawiskami naturalnymi, wyznaczającymi rytm życia na Ziemi ze wszystkimi konsekwencjami, rządzi czas astronomiczny, wyznaczany z obserwacji. Czas wyliczony na podstawie zaobserwowanego momentu przejścia gwiazd stałych przez południk niebieski, poprawiony o współczynniki niwelujące wpływ wszystkich znanych błędów, nazywamy czasem efemerycznym albo UT1 (Universal Time 1).
Otóż upływ czasu efemerycznego nie jest równomierny - trochę się spieszy w stosunku do zegara atomowego. Jeżeli takie różnice dochodzą do 0.7 sekundy, zachodzi potrzeba korekty czasu, polegającej na dodaniu pełnej sekundy (leap second) do światowej rachuby czasu. Operację taką można przeprowadzać dwa razy do roku: o północy 30 czerwca i 31 grudnia. Tak poprawiony czas GMT nazywa się czasem UTC (Universal Coordinated Time).
Cóż, zakładanie się, że bieżący rok ma dokładnie ileś tam sekund, nie zawsze jest zajęciem bezpiecznym.
Mało kto wie, że satelity GPS nie uwzględniają korekt czasu. 1 lipca 1997 "spieszyły się" już 12 sekund. Informacja o korektach jest wysyłana przez stacje kontrolne systemu do odbiorników nawigacyjnych za pośrednictwem satelitów. Dzięki temu podają one dokładny czas UTC.

Według czasu UTC synchronizuje się wszystkie zegary na świecie. Sygnały czasu są rozmaite: od profesjonalnych, synchronizujących wzorce czasu, poprzez sygnały do kalibracji sieci przemysłowych, do sygnałów powszechnego użytku. Nadzór nad utrzymaniem i dystrybucją czasu wzorcowego na całym świecie sprawuje BIPM (Bureau International de l'poids et Measures) - Międzynarodowe Biuro Wag i Miar, dawniej BIH - Bureau International de l'heure) w Paryżu.
Utrzymanie wspólnej rachuby czasu na świecie odbywa się poprzez różne sieci dystrybucji sygnałów czasu. Nasze zegarki i budziki synchronizujemy ręcznie według rozmaitej klasy sygnałów sieci radiowych, telewizyjnych, telefonicznych i innych.
Najprostsze były zegary elektryczne, synchronizowane częstotliwością sieci energetycznej (50 lub 60 Hz). W czasach "drobnych braków na tle niewątpliwych osiągnięć" z tą częstotliwością u nas było różnie. Niektórzy pamiętają zapewne takie zegary - po kilku godzinach po wyregulowaniu pokazywały "czas astronomiczny". Najczęściej późniły się zimą a spieszyły latem.
Spytałem kiedyś znajomego, starego energetyka, dlaczego tylko u nas tak jest. Popatrzył na mnie znad okularów, po czym rzekł: "Żeby, pojmujesz, kapitaliści nam prądu nie kradli".
Coraz częściej spotyka się zegary domowe synchronizowane przez radiowe sygnały czasu do odbioru automatycznego. Przeważnie nie mają one możliwości ustawienia czasu - jeśli mogą odbierać sygnał radiowy, pracują od razu dokładnie (około 0.01 s). U nas najczęstsze są zegary pracujące według atomowego czasu z niemieckiego nadajnika DCF 77 (77.5 kHz) we Frankfurcie.
Oprócz nadajników sygnałów czasu o lokalnym zasięgu, takich jak DCF, istnieją źródła o większym zasięgu. Najbardziej znane są sygnały emitowane przez satelity GPS Navstar, zapewniające czas wzorcowy wystarczający do większości zastosowań technicznych. Na półkuli zachodniej odbiera się także sygnały retransmitowane przez geostacjonarne satelity GOES (468 MHz).

Coraz więcej osób reguluje zegarki według czasu z sieci komputerowych. Komputery pracujące w sieciach rozległych mogą korzystać z serwerów czasu atomowego. Serwery czasu atomowego są komputerami połączonymi z atomowym wzorcem czasu. Transmisja sygnałów czasu odbywa się za pośrednictwem usług sieciowych ogólnie nazywanych NTP (Network Time Protocol). Klasę dokładności serwera czasu określa się tzw. liczbą stratum. Stratum 1 oznacza źródło bezpośrednio połączone z zegarem atomowym o dokładności 10^-11 s/dobę. Stratum 2 i 3 są jego "filiami", i tak dalej. Dokładność po stronie odbiorcy jest zależna od odległości i ilości węzłów sieci pośredniczących w transmisji. W internecie są dostępne różne serwery NTP, ale korzystniejsze jest użycie serwera nawet o niższym stratum, za to położonego bliżej.
W przypadku zamkniętych sieci lokalnych jeden z komputerów, najczęściej stale pracujący serwer, wyposaża się w odbiornik sygnałów np. DCF 77 albo GPS.

Ostatnio głośno się zrobiło o pewnych pulsarach, czyli gwiazdach cyklicznie zmieniających swoje promieniowanie, które to mają być o parę zer po przecinku dokładniejsze od łaskotanych atomów cezu. I tak oto ideał czasu wrócił "do gwiazd", co prawda trochę krakowskim targiem.
Historia jak widać się powtarza - najpierw czas inny na każdym zegarze, potem już tylko inny w każdym mieście, a kiedy wydawało się, że już z czasem wszystko załatwione, wszechświat nie dał się wyregulować. Najpierw zostawił nam troszkę złudzeń, potem dopiero pokazał jacy jesteśmy mali wobec czegoś tak powszedniego jak czas.

 

---

---

 

08-May-1999
Akt. 12-Oct-2008

 heading.pata.pl/chrono.htm