|
|2011-04-04|
GNSS, Geodezja, Ludzie, Instytucje
Nasz człowiek w Sevres
Rozmowa z dr. Włodzimierzem Lewandowskim, naczelnym fizykiem w Międzynarodowym Biurze Wag i Miar w Sevres pod Paryżem. Absolwentem Wydziału Geodezji Politechniki Warszawskiej, który na emigracji osiągnął zawodowy sukces, a do Polski przyjeżdża nie na wakacje, lecz by pomagać.
Jerzy Przywara: Większość jednostek miar odwołuje się dzisiaj do zjawisk fizycznych, ale jest też archaiczny kilogram masy.
Włodzimierz Lewandowski: Trwa właśnie dyskusja nad definicją kilograma masy. Nie z powodów praktycznych, bo pomiar masy odbywa się na poziomie zapotrzebowania, tylko filozoficznych. Definicja kilograma masy bazuje bowiem na sztucznym wzorcu z platyny i irydu. Metrolodzy uważają, że jest ona zacofana, bo oparta na kawałku metalu, który ulega zmianom chemicznym, poza tym z różnych powodów może ulec zniszczeniu. Powstaje zatem nowa definicja oparta na stałej Plancka i zjawiskach elektrycznych. Sądzę, że w ciągu dekady wejdzie w życie.
W metrologii stale coś się dzieje, chociaż działania Międzynarodowego Biura Wag i Miar (BIPM) są, jak sądzę, dosyć rozciągnięte w czasie.
Tak, na przykład został zlikwidowany Departament Długości, ale wciąż istnieje Komitet Konsultatywny Długości, bo cały czas notujemy postęp w pomiarze elementów, które składają się na definicję metra. Komitet to monitoruje, daje rekomendacje itd., choć nie jest już potrzebne centralne laboratorium i wzorzec fizyczny. Podobnie będzie w przyszłości z kilogramem.
A kto rządzi czasem?
Czasem rządzi BIPM, które jest egzekutywą wykonującą rekomendacje Komitetu Konsultatywnego Czasu i Częstotliwości (CCTF). Warto przy tym pamiętać, że miara czasu jest złożona, bo występują w niej definicja sekundy i skala czasu. Wiadomo, co to jest sekunda, natomiast skala czasu to sekundy SI dodawane jedna po drugiej. I tym zajmuje się nasze biuro – realizuje międzynarodową skalę czasu, czyli UTC (Universal Time Coordinated).
Jak to się robi?
Oczywiście nie ma jakiegoś jednego superzegara. Na fabrykę czasu pracującą 24 godziny na dobę składa się sieć około 350 zegarów atomowych, rozsianych na kuli ziemskiej. Zegary te (cezowe i masery wodorowe) są ze sobą porównywane bez przerwy technikami satelitarnymi (m.in. GPS), a raz w miesiącu, z wykorzystaniem specjalnego algorytmu powstaje średnia ważona, która jest materializowana w formie poprawek do zegarów. W rzeczywistości zegarów się nie poprawia, wiadomo, że każdy z nich chodzi inaczej, są lepsze i gorsze. To służy tylko do ich monitorowania. Średnia z 350 zegarów, czyli wolna skala atomowa (EAL), nie jest jednak odpowiednio dokładna i nie realizuje definicji sekundy. Poziom wyżej są wzorce laboratoryjne. To ogromne maszyny budowane przez największe laboratoria, w których pracują najwybitniejsi specjaliści fizyki atomowej. O odczyty z tych podstawowych wzorców częstotliwości, które pracują zwykle okresowo (włączane na godzinę, dwie, czasami na dzień), poprawiana jest EAL.
One „wstrzykują” tę najlepszą definicję sekundy i dlatego mają największą wagę. W ten sposób powstaje skala atomowa TAI (Temps Atomique International). Następnie po dodaniu sekundy skokowej (przestępnej) powstaje dopiero skala międzynarodowa UTC, która w częstotliwości jest równa TAI, ale różni się o pewną liczbę sekund. Istnieją także lokalne realizacje UTC utrzymywane w około 100 nanosekundach w stosunku do UTC liczonego w BIPM. W Polsce blisko 15 zegarów atomowych tworzy polską skalę czasu atomowego [TA(PL)] bazującą na sieci krajowych laboratoriów i jednego laboratorium na Litwie. Jest to jedna z nielicznych takich sieci na świecie. Pozwoliła ona Polsce przystąpić do budowy europejskiego systemu nawigacji satelitarnej Galileo. To m.in. efekt mojej pracy z dr. Jerzym Nawrockim z Obserwatorium Astrogeodynamicznego Centrum Badań Kosmicznych PAN w Borowcu, które jest wiodącym laboratorium tej sieci.
O co chodzi z tą sekundą skokową?
Są z nią obecnie same problemy, bo zakłóca pracę nowych technologii. Jak wiadomo, sekunda przestępna jest potrzebna do zsynchronizowania czasu atomowego z czasem astronomicznym, wynikającym z rotacji Ziemi. W latach 60. używano w ciągu roku wielu milisekundowych poprawek. Było to niewygodne, dlatego w 1972 r. uproszczono system i ustanowiono sekundę skokową, którą można wprowadzać nawet co miesiąc (ostatniego dnia miesiąca). Trzeba pamiętać, że na początku lat 70. do wyznaczenia długości geograficznej potrzebna była znajomość czasu UT1 na morzu, UTC nadawane drogą radiową było dla nawigatorów łatwą metodą dojścia do UT1. Dzisiaj tamte czasy to już epoka kamienia łupanego i utrzymywanie sekundy skokowej jest przestarzałe i uciążliwe. Są jednak konserwatyści, którzy uważają, że czas musi być związany z obrotem kuli ziemskiej, bo inaczej koguty się pogubią, zwierzęta oszaleją, a ludzie będą źle funkcjonować. Zapominają przy tym, że dwa razy w roku przestawiamy zegary o godzinę.
To pozostawmy tę sekundę.
Wprowadzanie sekund skokowych przy obecnych technologiach powoduje jednak spore perturbacje, szczególnie w systemach nawigacyjnych i telekomunikacyjnych. Jest to potencjalne źródło błędów i nadużyć, np. w bankowości. GPS ma swoją skalę czasu, która nie uwzględnia sekundy skokowej, ale z kolei Rosjanie wprowadzają ją do skali swojego systemu nawigacyjnego GLONASS, co powoduje problemy z jego poprawnym funkcjonowaniem. Co ciekawe, przeciwko zniesieniu sekundy skokowej są Brytyjczycy. Bo oni UT1 nazywają GMT (Greenwich Mean Time), którego, co prawda, od dziesięcioleci nikt nie utrzymuje, ale dla Brytyjczyków GMT to jest tradycja, spadek historyczny, wartość kulturalna. A zlikwidowanie sekundy skokowej oznaczałoby, że UTC zacznie się oddalać od południka Greenwich (w ciągu 100 lat będzie to około 60 sekund). Oczywiście dla życia codziennego niezauważalnie, ale dla nich to jest problem polityczny. Okazało się, że przeciw zmianom są też Chińczycy. Ci z kolei powołują się na wielotysiącletnią tradycję czasu słonecznego w Chinach, a tak naprawdę chodzi o interesy chińskich astronomów w budowie systemu nawigacyjnego Compass.
Jak wiele wspólnego z TAI czy UTC ma zwykły zegarek?
Kiedyś będąc w Genewie, rozmawiałem z producentami słynnych mechanicznych zegarków o ich dokładności i kilku podstawowych instrumentach pomiaru niepewności w metrologii czasu. Nie mieli o tych zagadnieniach pojęcia. Dla nich liczy się wygląd, estetyka, materiał (złoto, platyna, brylanty), ale nie dokładność. Jeden z producentów powiedział mi, że jak chcę sobie sprawić dokładny zegarek, to muszę kupić jakieś kwarcowe „badziewie”…
Cały wywiad ukaże się w kwietniowym numerze GEODETY
Jerzy Przywara
|
