ΑΤΟΜΙΚΟ ΡΟΛΟΙ

Για αιώνες η Γη ήταν ο χρονομέτρης μας. Η ημέρα χωριζόταν σε ώρες, λεπτά και δευτερόλεπτα με βάση την περιστροφή της Γης και γι' αυτό είχε ανατεθεί από τα κράτη η ευθύνη της μέτρησης του χρόνου στα αστεροσκοπεία, όπως αυτό του Γκρίνουιτς στην Αγγλία. Μέχρι περίπου τα μέσα του 20ού αιώνα, τα εκκρεμή ρολόγια ρυθμίζονταν με βάση τον αστρονομικό χρόνο. Καθώς, όμως, τα ρολόγια γίνονταν όλο και πιο ακριβή, άρχισαν να φανερώνουν τις «παραξενιές» του πλανήτη μας. Η συνισταμένη κίνηση της Γης είναι το αποτέλεσμα πολλών επιμέρους κινήσεων που επηρεάζουν και την περιστροφή γύρω από τον εαυτό της. Έτσι στις δεκαετίες του 1940 και του 1950 η Γη παρέδωσε το ρόλο του χρονομέτρη αρχικά στα εκκρεμή, μετά στα ρολόγια με κρύσταλλο χαλαζία και τέλος στα ατομικά ρολόγια.

Ατομικό ρολόι ονομάζεται η διάταξη μέτρησης χρόνου που προσφέρει την υψηλότερη μέχρι σήμερα διαθέσιμη ακρίβεια μέτρησης. Τα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούνται από εθνικούς οργανισμούς προτύπων ως πρωτογενή πρότυπα για τον καθορισμό του Διεθνούς ατομικού χρόνου και τον συγχρονισμό ρολογιών σε εθνικό και παγκόσμιο επίπεδο, τον έλεγχο συχνότητας τηλεοπτικών σταθμών και τη λειτουργία συστημάτων GPS (Global Positioning System).

Το άτομο έγινε το μέτρο του χρόνου. Αντί σαν υποδιαίρεση του χρόνου περιστροφής της Γης, το δευτερόλεπτο ορίστηκε πια σαν συγκεκριμένος αριθμός περιόδων της ακτινοβολίας που εκπέμπει το άτομο του στοιχείου κέσιο κατά την ενεργειακή του μετάπτωση. Σε αντίθεση με τη συχνότητα ταλάντωσης του εκκρεμούς, η ταλάντωση της ακτινοβολίας που προέρχεται από τη μετάπτωση των ενεργειακών καταστάσεων των ηλεκτρονίων των ατόμων (ατομική συχνότητα) είναι σταθερή παντού και πάντοτε. Το 1967 το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών, που εδρεύει στο Παρίσι, όρισε το δευτερόλεπτο σαν 9.192.631.770 ταλαντώσεις της ακτινοβολίας από την ενεργειακή μετάπτωση του ατόμου του κεσίου 133.Το πρώτο ατομικό ρολόι (βασισμένο σε maser αμμωνίας) φτιάχτηκε το 1949 στην Αμερική και το πρώτο ακριβές ατομικό ρολόι Καισίου φτιάχτηκε στην Αγγλία το 1955.

Με βάση τα ατομικά ρολόγια, ο χρόνος ορίστηκε το 1967 από το Διεθνές σύστημα μονάδων ως 9.192.631.770 ταλαντώσεις Καισίου 133 από μια ενεργειακή κατάσταση σε άλλη. Το ατομικό ρολόι έχει ακρίβεια 0,0000000000000015 δευτερόλεπτα. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσε θεωρητικά να λειτουργήσει επί 20 εκατομμύρια χρόνια χωρίς να χάσει (ή να κερδίσει) ούτε ένα δευτερόλεπτο!

Η κατά ένα δευτερόλεπτο λάθος ώρα δε φαίνεται να έχει μεγάλη σημασία στην καθημερινή μας ζωή. Τα πράγματα όμως δεν είναι καθόλου έτσι σε επίπεδο κοινωνίας. Η σύγχρονη βιομηχανία και κατ' επέκταση η οικονομία στηρίζεται στην ικανότητά μας να μετράμε με μεγάλη ακρίβεια το χρόνο. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού (GPS), που για να υπολογίσει την ακριβή θέση, απαιτεί ακριβή γνώση του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσουν στο συγκεκριμένο σημείο τα σήματα των ειδικών δορυφόρων GPS.

Ακόμα κι ένας προσωρινός αποσυγχρονισμός των ρολογιών στον 21ο αιώνα θα έκανε αισθητή την εμφάνισή του. Ξαφνικά, μέσα σε μια στιγμή θα νιώθαμε πόσο οι ζωές μας επηρεάζονται από τη συμφωνία μας για το μικρότερο μέρος ενός δευτερολέπτου. Ο χρόνος δεν είναι πια απλά η τέταρτη διάσταση του σύμπαντος. Παίζει καθοριστικό ρόλο στη σύγχρονη οικονομία. Γι' αυτό, η ακριβής μέτρηση και διανομή του (παγκόσμιος συγχρονισμός των ρολογιών) είναι αντικείμενο λεπτομερών διεθνών συμφωνιών και της Συνθήκης για το Μέτρο, που ισχύει από το 1875.

Για τον καθορισμό του διεθνούς ατομικού χρόνου χρησιμοποιείται ένα παγκόσμιο δίκτυο από 200 ατομικά ρολόγια που βρίσκονται σε πάνω από 50 εθνικά εργαστήρια. Εκείνο που έχει σημασία στη διεθνή χρονομέτρηση δεν είναι ένα και μοναδικό εξαιρετικά ακριβές ρολόι, αλλά ένα παγκόσμιο δίκτυο ρολογιών. Ο ονομαζόμενος Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος, βάσει του οποίου ρυθμίζονται όλα τα ρολόγια των κρατών στον κόσμο, εξαρτάται όχι μόνο από την ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου, αλλά εξίσου και από την ακρίβεια σύγκρισης των χρόνων που δίνουν τα κέντρα μέτρησης του χρόνου σε όλο τον κόσμο. «Αν κοιτάξεις ένα ρολόι», λέει ο Ντον Σάλιβαν του Τμήματος Χρόνου και Συχνοτήτων του NIST, «δεν ξέρεις αν πηγαίνει καλά ή όχι. Αν έχεις δύο ρολόγια και δε συμφωνούν και πάλι δεν ξέρεις ποιο είναι σωστό». Με τρία ρολόγια μπορείς να απορρίψεις το ένα που απέχει περισσότερο από τα άλλα δύο και να υπολογίσεις το χρόνο με βάση κάποιον αλγόριθμο που θα λαμβάνει υπόψη την ακρίβεια και τη σταθερότητα - βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη - των δύο «σωστών» ρολογιών.

Ετσι, στο Μπόλντερ, το ρολόι πίδακα κεσίου χρησιμοποιείται σαν μέτρο σύγκρισης για τη «ρύθμιση» άλλων ρολογιών μικρότερης ακρίβειας, αλλά πιο σταθερών σε μακρές περιόδους λειτουργίας, όπως είναι τα μέιζερ (μετρούν συχνότητες του υδρογόνου). Από την ώρα που δείχνουν τα μέιζερ, την ώρα που δείχνει μια ομάδα ρολογιών κεσίου μικρότερης ακρίβειας, την ώρα του ρολογιού πίδακα κεσίου και την ώρα του προκατόχου του, προκύπτει η ώρα που δίνει το Μπόλντερ στην έδρα του παγκόσμιου συστήματος στο Παρίσι. Σε συνδυασμό με την ώρα που δίνουν άλλα 220 ρολόγια, διάσπαρτα σε ολόκληρη την υδρόγειο, προκύπτει ο Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος. Ο συνδυασμός των χρόνων αυτών γίνεται μέσω του αμερικανικού συστήματος GPS και του αντίστοιχου ρωσικού συστήματος παγκόσμιου εντοπισμού.

Ο χρόνος ζωής ενός ατομικού ρολογιού εξαρτάται από τα συστατικά του. Ατομικά ρολόγια που βασίζονται στις ταλαντώσεις Ρουβιδίου έχουν χρόνο ζωής 10 χρόνια, ενώ ατομικά ρολόγια Καισίου 133 έχουν διάρκεια ζωής 7 χρόνων. Πέρα από αυτά τα διαστήματα η σταθερότητα της δομής των ατόμων μεταβάλλεται με αποτέλεσμα τη μη ακριβή λειτουργία τους.