Atomidô

A második világháború utáni évtizedekben a hagyományos szerkezetû órákat pontosság tekintetében messze túlszárnyalták a kvarc- és atomórák. Atomórát úgy állítanak elô, hogy egy kvarcórát atomi rezonátorral kapcsolnak össze, és a kvarckristály rezgési frekvenciáját akként szabályozzák, hogy megegyezzék az atomi rezonátor megfelelôen leosztott frekvenciájával. A hatvanas években véglegesen felvetôdött az igény egy nemzetközi atomóra-hálózattal megvalósított ún. atomidôskála bevezetésére. Valószínû, hogy a gravitáció, a mechanika és a mikrofizika törvényei azonos az idôskálán veszik fel Iegegyszerûbb alakjukat, és így az efemeris idô, inerciaidô, valamint az atomidô elvileg azonos.[1] Az atomidô csak úgy válhatott világméretû rendszerré, hogy elérték a cézium-maserekkel szabályozott órák napi 10-11-10-13-os frekvencia-stabilitását, ami azt jelenti, hogy egy ilyen atomóra naponta csupán kevesebb, mint egymilliomod másodpercet téved. Tekintettel a technikai fejlôdésre, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal az alábbi idôegység-definíciót fogadta el 1969. januári, párizsi határozatában:

A másodperc egyenlô a cézium-133 atom két hiperfinom szintje közötti átmenetkor fellépô sugárzás 9 192 631 770 rezgésperiódusának idôtartamával.

Ezt a definíciót tartalmazza a mértékegységek jelenleg érvényes globális rendszere (SI) is. A nemzetközi megegyezés alapján az atomórák láncolatával fenntartott atomidôt TAI-vel (vagy néha IAT-vel) jelölik.

A TAl megfelelô pontossággal való tartása (jelenleg napi néhány nanoszekundum) a BIPM metrológiai hatáskörébe esik. A Párizs egyik elôvárosában (Sèvres) mûködô nemzetközi intézmény jelenleg 30 ország 65 laboratóriumában mûködô 230 atomóra[2] idôadatainak együttes figyelembevételével határozza meg a nemzetközi atomidô aktuális értékét. Míg az efemeris idô 9 éves periódusonként 0,05 másodperc, a világidô pedig napi néhány ezredmásodperc pontossággal határozható meg, az atomidô - a már említett napi pontosság mellett - egy percen belül néhány nanoszekundumra pontosan realizálható. A TAI nullpontját úgy választották, hogy az atomidô 1958. január elsején esett egybe az UT1-gyel.

Feltételezve a gravitációs és atomidô skála elvi azonosságát, továbbá kihasználva a TAI kényelmes elérhetôségét, valamint pontosságát, 1984. január 1-jétôl az efemeris idô helyett a csillagászati almanachokban is a nemzetközi atomidôre alapozott ún. dinamikai idôt (DT, lásd a glosszáriumot) használják.

Korábban láttuk, hogy "óramutatóként" használható minden olyan test, amelynek szögelmozdulása vagy mozgási periódusa ismert erôk hatására megy végbe, és elméleti úton nagy pontossággal leírható az idô függvényeként. Külsô testek zavaró hatása nyilván nem zárható ki teljesen, de arra kell törekednünk, hogy az minél kisebb legyen, illetve minél pontosabban figyelembe tudjuk venni a perturbációkat. Éppen ezen utóbbi követelmény kielégítô teljesülése következtében az inerciaidô jobb közelítése az efemeris idônek a világidônél.

Az efemeris idô kellemetlen tulajdonsága azonban, hogy a bolygópályák nagytengelyétôl, illetve az indulási mozgási energiától is függ. Ezért a Föld keringése során megôrzi mindazoknak a zavaró hatásoknak az emlékét, amelyek valaha is érték, függetlenül attól, hogy azok jelenleg is fennállnak-e vagy sem. Ha tehát egyszer egy jelentôs tömegû ismeretlen égitest haladna át a Naprendszeren, amelyet a csillagászok nem észlelnénék, a Nap látszólagos mozgására gyakorolt hatását lehetetlen volna rekonstruálni, és helyrehozhatatlanul megszakadna a kapcsolat az etalonként választott 1900-as keringési idôvel. Ezért alkalmasabb olyan periodikus mozgást választani idôetalonként, ahol a szabványperiódus hosszára nincs befolyással a rendszer elôélete. Ezt a követelményt legideálisabban az atomok teljesítik. Egy átmeneti zavar megszûnése után pl. a mag körül keringô elektron mindig visszatér a legbelsô Bohr-pályára, ahol a keringési periódus kizárólag természeti állandók függvénye, azaz teljesen független az atom elôéletétôl. Kézenfekvô volt tehát a törekvés, hogy a másodperc definíciójához atomi idôegységet használjunk.

Azonban az atomidô megbízható tartása sem problémamentes. Az atomi frekvenciák 1010-1015 s-1 nagyságrendbe esnek, és már önmagában véve az is komoly technikai feladat, hogy segítségükkel leolvasható "óramutatókat" vezéreljünk. Ez persze nem véletlen, hiszen általános szabály, hogy miután a megismerés folyamata azon méretek, jelenségek és mozgásformák körébôl indul el, amelyek leginkább jellemzôek a civilizáció kialakulását lehetôvé tevô természeti környezetre. Minél távolabb jutunk a megszokott anyagformáktól, fizikai viszonyoktól, Iéptékektôl és idôtartamoktól, annál költségesebb, bonyolultabb és kényesebb felszerelésekre van szükség a megkívánt feltételek biztosításához, vizsgálataink hatókörének megfelelô kiterjesztéséhez.

Így bár az atomidô eleget tesz annak az igénynek, hogy az idômérés egységét a Föld 1900-as keringése helyett mikroszkopikus anyagi rendszerek "emlékezet nélküli" rezgéséhez kapcsolják, a céziumszabvány bevezetése sem keltett általános megelégedést, miután a bonyolult technikájú atomórák esetleges üzemzavarai (akár elôre nem látható katasztrófák, háborús események következtében) kétségessé teszik azt, hogy igen hosszú idôintervallumokon keresztül is minden külsô kontroll nélkül használhatjuk ôket. Ezért valószínû, hogy huzamosan fenn fog maradni az a gyakorlat, amely szerint az atomidô-, valamint efemerisidô-rendszert párhuzamosan fenntartják és egymás ellenôrzésére is használják.

5. ábra. Mesterséges óráink pontosságának növekedése 1300-tól napjainkig



Idôszolgáltatás

Mint a fentiekbôl is látható, az idô nagy pontosságú meghatározása és tartása bonyolult és költséges feladat, így érthetô, hogy csak viszonylag kevés helyen kivitelezhetô. Ezért gyakorlati célokra különbözô nemzeti és egyéb idôszolgálatok megfelelô idôjeleket közölnek. Bizonyos felhasználók (pl. csillagászok, navigátorok, ûrkutatók) megkívánják, hogy az idôjelekbôl a Föld pillanatnyi szöghelyzete 0,1" pontossággal meghatározható legyen. Ezért 1964-ben - elsôsorban az idôszolgálatok céljára - bevezették az ún. koordinált világidôt (UTC), amely egyrészt az atomidôskálán alapult, másrészt frekvencia- és nullponteltolások segítségével tizedmásodperc pontossággal figyelembe vette a pólusingadozásra és szezonális változásokra korrigált világidôt (UT2). 1972-ig a szükséges frekvenciaváltoztatásokat megállapodás szerint mindig újévkor, nullponteltolásokat viszont bármely hónap elején lehetett végrehajtani.

A Nemzetközi Rádiókommunikációs Konzultatív Testület (CCIR) és a Nemzetközi Csillagászati Unió (IAU) javaslatára 1972. január 1-jétôl a koordinált világidô pontosan TAl-frekvenciát követ, és csupán idôszakos nullponteltolások útján veszi figyelembe a Föld forgási egyenetlenségeit. Az UTC idôskálát azóta 1másodperces eltolásokkal ("szökômásodperc") közvetlenül az UT1-hez igazítják oly módon, hogy |UT1-UTC| <= 900 ms tegyen. A korrekciókat csak január 1-jén és július 1-jén lehet végrehajtani. (Az utolsó ez év július 1-jén 0 órakor volt, amikor a TAI-UTC különbség +30-ról +31 másodpercre emelkedett.) Az adott idôjelet úgy modulálják, hogy abból az UT1-UTC eltérés 100 ms pontossággal megállapítható. 1972 elején egy egyszeri speciális nullponteltolást hajtottak végre, melynek következtében a TAI-UTC különbség éppen 10 másodperc lett. Ezután tehát az atomidô és a koordinált világidô küIönbsége mindig egész számú másodpercet tesz ki. Így sikerült végre elérni azt, hogy a modern idôszolgálat a mindennapi szükségleteken kívül a társadalmi tevékenység szinte valamennyi területén dolgozó szakemberek igényét is kielégíti.

Az idômérés elvi alapjai Efemeris idô Csillagidô, világidô, zónaidô Glosszárium


Jegyzetek

1. Ellenkezô esetben az energiamegmaradás alapelvének megtartása érdekében fel kell tételeznünk, hogy a Planck-állandó (efemeris idôben nézve) változik. D. H. Wilkinson még 1958-ban megmutatta, hogy az évi változás (ha egyáltalán létezik) kisebb, mint egy billiomodrész, azaz a kétféle idômérô rendszer esetleges elvi különbségét csak igen hosszú távú egybevetés útján lehet empirikusan megállapítani.

2. Ezek mintegy 20%-a a US Naval Observatoryban található.


Idôszolgáltatók

Naptár-, idô- és frekvenciajeleket jelenleg rádió (TV), telefon, internet és elektronikus navigációs szolgáltatókon (idôadók) keresztül vehetünk. A jelek gyakran kódoltak, de a kódot a szolgáltató általában közzéteszi.

Rádió-idôadók: Európában mindenekelôtt a következô idôadókat kell megemlíteni:

Telefon-idôadók. A széles körben használt, 1 másodperces pontosságú audiojelek mellett telefonon már több olyan idôadó is elérhetô, amelyik megfelelô modem használatával alkalmas számítógépünk belsô idejének TAI-hez vagy UTC-hez való kielégítôbb szinkronizálására. Ilyen idôadók pl.:

Internet-idôadók. Megfelelô szoftverrel szinte bármely világhálóra kapcsolt számítógéphez használhatók. Néhány fontos példa:

Navigációs idôadók. Speciális vevôvel foghatók. A mûködô földfelszíni [pl. Loran-C, OMEGA (részletek találhatók mindkettôról a tycho.usno.navy.mil/ URL-cím alatt)] és szatellita rendszerek közül itt csak a legfontosabbat, a GPS-t (Global Positioning System) vázoljuk.

A "Globális Helymeghatározó Rendszer" navigációs és geodéziai célú mesterséges holdak együttese, amelyet az Egyesült Államok elsôsorban katonai célra fejlesztett ki, de részben a polgári alkalmazások számára is rendelkezésre bocsátott. A GPS rendszer 24 szatellitából áll, melyek 20 200 km magasságban, hat 55 o-os inklinációjú pályasíkban keringenek oly módon, hogy a Föld bármely pontjának látóhatára felett legalább hat hold figyelhetô meg. A pozíció- és idôszolgáltatás kétszintû. A standard rendszer a vevô 100 m pontosságú helymeghatározását, és UTC 340 nanoszekundumon belüli szinkronizálását, a precíziós rendszer pedig (mely csak jogosult felhasználóknak áll rendelkezésre) 20 méteres pozicionálást és UTC  200 nanoszekundum pontosságú vételét teszi lehetôvé. (További részletek pl. a tycho.usno.navy.mil/gps.html URL-címen találhatók.)


Természet Világa, 128. évf. 11. sz. 1997. november, 485-490. o.
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/TermVil/


Vissza a tartalomjegyzékhez