Up∏ywajàce sekundy

odmierzajà najbli˝szy

cz∏owiekowi rytm

– szybkie bicie jego serca.

96 Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1998

O

d czasów powstania Êrednio-
wiecznych miast mechaniczny
zegar i jego nast´pcy w coraz

wi´kszym stopniu porzàdkujà naszà co-
dziennà krzàtanin´. Lata odmierzajà po-
zorny ruch S∏oƒca i wyznaczane prze-
zeƒ pory roku, miesiàc to uprzejmy
uk∏on wobec zmiennoÊci kszta∏tu Ksi´-
˝yca, a dzieƒ niesie ze sobà pewnoÊç
ciemnoÊci i Êwiat∏a. Choç nie jesteÊmy
tego Êwiadomi, up∏ywajàce sekundy od-
mierzajà najbli˝szy cz∏owiekowi rytm
– szybkie bicie jego serca. Ani godzina,
ani minuta nie majà nic wspólnego z
jakimkolwiek zachodzàcym w
przyrodzie zjawiskiem.

Dawno temu w ka˝dym wi´k-

szym porcie dok∏adnie w po∏u-
dnie wzd∏u˝ specjalnej ˝erdzi
spuszczano kul´, aby nawigato-
rzy statków mogli wyregulowaç
swoje zegary. By∏o to konieczne,
poniewa˝ dziesi´ciosekundowa
niedok∏adnoÊç zegara grozi∏a
zboczeniem z kursu o trzy mile.
DziÊ niewiele ju˝ pozosta∏o mor-
skich zegarów. Mój dociekliwy
przyjaciel Giuseppe Cocconi, od
lat pracujàcy jako fizyk czàstek
elementarnych w CERN pod Ge-
newà, opowiada∏, kiedy i gdzie
dokona∏a si´ ta zmiana. Tu˝ po zakoƒ-
czeniu II wojny Êwiatowej oszcz´dni ka-
pitanowie przybrze˝nych statków han-
dlowych i ∏odzi rybackich doszli do
wniosku, ˝e sygna∏y radiowe zaczyna-
jà wypieraç chronometry z królestwa
czasu. Wspania∏e zegary morskie zape∏-
ni∏y pó∏ki lombardów we w∏oskich mia-
stach portowych, gdzie oferowano za
nie coraz ni˝sze ceny.

Sà ludzie oddani czasowi nie zwiàza-

ni z morzem, czerpiàcy przyjemnoÊç
nie tyle z ornamentów zdobiàcych
zegary, ile z ich precyzji. Do nich nale-
˝ymy wraz z Cocconim. Móg∏ on
wreszcie pozwoliç sobie na zakup kosz-
townego, pokrytego bràzem chrono-
metru i nauczy∏ si´ okreÊlaç czas, reje-
strujàc jego niezmienny chód, nawet
bez otwierania pokrywy. Z kolei ja od
po∏owy lat dwudziestych z upodoba-

niem nastawiam swój zegarek, korzy-
stajàc z sygna∏ów czasu nadawanych
przez stacje radiowe na wysokich
cz´stotliwoÊciach.

Niektóre stacje na falach krótkich, ta-

kie jak WWV w Fort Collins w Kolora-
do czy CHU w Ottawie, wcià˝ jeszcze
podajà co minut´ uniwersalny czas stre-
fowy. Ale stosowane dziÊ techniki sà
bardziej dojrza∏e. Up∏yw czasu definio-
wany przez cezowe zegary atomowe
jest korygowany zgodnie z porozumie-
niami mi´dzynarodowmi poprzez do-
danie lub odj´cie co pó∏ roku „prze-

st´pnych sekund”, tak aby u˝ytkowane
chronometry chodzi∏y zgodnie ze
zmiennym obrotem Ziemi pod sferami
niebios. Podró˝nik mo˝e równie˝ wy-
s∏uchaç krajowych sygna∏ów czasu
nadawanych w odleg∏ych miejscach;
mia∏em przyjemnoÊç cieszyç si´ odg∏o-
sami tykania pochodzàcymi z Kapszta-
du, Delhi i Xi’an, ˝e nie wspomn´
o znacznie bli˝szym Londynie.

WWV (dzia∏ajàca pod egidà U.S. Na-

tional Institute of Standards and Techno-
logy) sprawdza swoje zegary tak do-
k∏adnie, ˝e gwarantuje ona, i˝ czas
nadawany jest z dok∏adnoÊcià do 10 µs.
Ale fizyczny oÊrodek, w którym rozcho-
dzà si´ krótkie fale radiowe, nie podda-
je si´ laboratoryjnej kontroli. Zmienna
aktywnoÊç S∏oƒca ˝ongluje pasmami fal
w skalach czasu odpowiadajàcych po-
rom roku i d∏u˝szych, prowadzàc do

niedok∏adnoÊci w odbiorze tykni´ç rz´-
du milisekund na dzieƒ. ˚adne ucho nie
mo˝e us∏yszeç „zerowego” uderzenia
rozdzielajàcego milisekundy; taka pre-
cyzja jest domenà maszyn.

Przyjrzyjmy si´ stacji WWVB. Jej an-

tena przykrywa niczym beret wie˝´ wy-
sokoÊci 120 m wzniesionà na drucianym
ekranie naziemnym. Sygna∏ radiowy
nadawany jest na bardzo niskiej cz´sto-
tliwoÊci, tzw. ELF (extremely low fre-
quency) – jedynie 60 kHz, co odpowia-
da fali d∏ugoÊci ponad 5 km. WWVB
podaje swoim mechanicznym s∏ucha-

czom zakodowanà w prosty spo-
sób informacj´ o cz´stotliwoÊci
fali z dok∏adnoÊcià do pi´ciu cz´-
Êci na bilion i czas z dok∏adno-
Êcià do 100 µs na dob´. Na tych
falach nie s∏yszy si´ w ogóle
ludzkiego g∏osu.

Choç wykorzystywane w pra-

ktyce anteny ELF sà zbyt ma∏e
(w porównaniu z kilkukilome-
trowà d∏ugoÊcià fali), aby byç
efektywnymi nadajnikami, wy-
sy∏any przez nie sygna∏ jest do-
brze przenoszony w postaci
fal przygruntowych. Ich podsta-
wa ciàgnie si´ po absorbujàcej
powierzchni ziemi lub wody,

a zmienne pole elektryczne nie jest skie-
rowane dok∏adnie wzd∏u˝ pionu jak an-
tena. GaÊni´cie dwuwymiarowych fal
w miar´ oddalania si´ od êród∏a zosta-
je skompensowane do pewnego stop-
nia przez spadek mocy w kierunku pio-
nowym. Sztuczna interferencja jest
niska, bowiem êród∏a zak∏óceƒ majà
równie˝ ma∏o efektywne krótkie ante-
ny. Pioruny sà przyczynà naturalnego
szumu, burze w okolicy bywajà g∏oÊne,
ale rzadkie, a wiele odleg∏ych burz two-
rzy sta∏e t∏o szumów s∏abnàce w nocy.
StabilnoÊç przygruntowych fal ELF pro-
wadzi praktycznie do ostatecznego za-
tarcia ró˝nicy pomi´dzy dok∏adnoÊcià
sygna∏u nadawanego i odbieranego, po-
zwalajàc, by opóênienie bliskie by∏o
ograniczeniu narzuconemu przez pr´d-
koÊç Êwiat∏a. Od roku dostawcy amery-

ZADZIWIENIA

Philip Morrison

ELF odmierzajàcy czas

KOMENTARZ

Ciàg dalszy na stronie 98

DUSAN PETRICIC

98 Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1998

absorbuje on pewne gazy w bardzo
niskich temperaturach.

Pierre wraz ˝onà, Marià Sk∏odow-

skà-Curie, odkryli rad, wygotowu-
jàc w kadziach ca∏e tony blendy smo-
listej, a nast´pnie okreÊlajàc w∏asnoÊci
tego, co z niej zosta∏o. W jednym przy-
padku uzyskany koncentrat bardzo nie-
znacznie elektryzowa∏ otaczajàce go po-
wietrze. Tak nieznacznie, ˝e w∏aÊciwie
nie dawa∏o si´ tego zmierzyç, dopóki
ma∏˝onkowie Curie nie u˝yli w tym ce-
lu kryszta∏u piezoelektrycznego. Takie
kryszta∏y (np. kwarc) reagujà nawet na
nieskoƒczenie ma∏e ∏adunki elektrycz-
ne, zmieniajàc swój kszta∏t.

Gorliwie dopomaga∏ ma∏˝onkom

w pracy w laboratorium (tak gorliwie,
˝e w przysz∏oÊci zosta∏ kochankiem Ma-
rii) fizyk Paul Langevin. Bada∏ on innà
w∏asnoÊç kryszta∏ów piezoelektrycz-
nych: pojawianie si´ na nich ∏adunku
elektrycznego pod wp∏ywem nacisku.
W 1917 roku skonstruowa∏ urzàdzenie
zwane „kanapkà Langevina”: warstw´
kwarcu umieszczonà pomi´dzy dwie-
ma warstwami stali. Pod wp∏ywem im-
pulsów elektrycznych kwarc regularnie
zmienia∏ kszta∏t, rezonujàc.

Gdy zainstalowano to urzàdzenie

w kad∏ubie statku, zewn´trzna warstwa
stali emitowa∏a silny falowy sygna∏

w otaczajàcej wodzie. (Ofiarà wczesnych
eksperymentów Langevina pad∏o wiele
ryb.) Kiedy sygna∏ trafia∏ na nieprzyja-
cielskà ∏ódê podwodnà (albo jakiÊ inny
sta∏y obiekt, np. raf´), odbija∏ si´ w po-
staci echa i powraca∏, wprawiajàc
w drgania stalowà p∏ytk´. Kryszta∏
wówczas rezonowa∏ i ∏adowa∏ si´ elek-
trycznie, wydajàc dêwi´k dobrze zna-
ny z filmów o okr´tach podwodnych.
Tak oto powsta∏ sonar.

Po raz pierwszy odkry∏ to szczególne

zachowanie kryszta∏ów René-Just Haüy,
kanonik paryskiej katedry Notre Dame.
By∏o to oko∏o roku 1802. Zapoczàtkowa∏
on nowoczesnà krystalografi´, badajàc,
dlaczego roz∏upywane kryszta∏y rozpa-
dajà si´ na jednakowe kawa∏ki o iden-
tycznym kszta∏cie. W uznaniu osza∏amia-
jàcych zas∏ug na polu ∏upania Haüy zosta∏
obsypany wieloma zaszczytami i wa˝ny-
mi stanowiskami, ale ˝y∏ skromnie, bo
wszystko co mia∏, wydawa∏ na dzia∏al-
noÊç swego brata, Valentina.

W 1784 roku ten szlachetny cz∏owiek

za∏o˝y∏ w Pary˝u pierwszy Instytut dla

Niewidomych Dzieci. W 1826 roku
zaczà∏ w nim nauczaç Louis Braille.
W trzy lata póêniej opublikowa∏ on,
u˝ywany do dziÊ, system pisma
dotykowego dla niewidomych:
szeÊç wypuk∏ych kropek, u∏o˝o-

nych w dwóch rz´dach po trzy, wyra-
˝a w 63 kombinacjach ca∏y alfabet, zna-
ki przestankowe, cyfry itd. Paryskà
szko∏´ odwiedzi∏ póêniej Samuel Gri-
dley Howe, który w 1832 roku zosta∏
dyrektorem jednej z pierwszych amery-
kaƒskich instytucji edukacyjnych dla
ludzi niewidomych: szko∏y Perkinsa
w Bostonie.

Jego ˝ona, Julia Ward Howe, by∏a au-

torkà s∏ów innego, lecz równie s∏ynne-
go jak ten, wyryty na cokole Statui Wol-
noÊci, hymnu ku czci Ameryki: „Battle
Hymn of the Republic” – Bojowego
Hymnu Republiki.

T∏umaczy∏

Boles∏aw Or∏owski

Przypisy redakcji:

1

A. G. Eiffel by∏ autorem wewn´trznej konstruk-

cji posàgu; samà rzeêb´ bogini wolnoÊci, wykona-

nà z miedzi, zaprojektowa∏ francuski artysta

Frédéric-Auguste Bartholdi, cokó∏ zaÊ zbudowa∏

amerykaƒski architekt Richard Morris Hunt.

2

L.-P. Cailletet i R.-P. Pictet dokonali skroplenia

tlenu metodà dynamicznà, tzn. poporzez gwa∏tow-

ne rozpr´˝enie uzyskali mg∏´. Dopiero jednak Po-

lacy – Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski w

1883 roku otrzymali powietrze, tlen i wodór w ilo-

Êciach makroskopowych i mogli dok∏adnie zbadaç

ich g´stoÊç, barw´, wspó∏czynnik za∏amania itp.

„Kanapka Langevina”

to warstwa kwarcu mi´dzy dwiema

warstwami stali.

kaƒskiego sprz´tu elektronicznego ofe-
rujà wspania∏e i tanie urzàdzenie: sa-
moregulujàcy si´, dok∏adny zegar, o któ-
rym od dawna marzy∏em. Za mniej
wi´cej 50 dolarów mo˝na sobie kupiç
niewielki zegar strojàcy ze zwyk∏ym
kwarcowym wyÊwietlaczem (bez wska-
zówek), który – za pomocà kilkucenty-
metrowej anteny ferrytowej – co noc kil-
kakrotnie ∏apie i odkodowuje sygna∏
z WWVB. WyÊwietla on czas radiowy
z dok∏adnoÊcià do 1 s i uwzgl´dnia zmia-
ny czasu oraz „przest´pne sekundy”.
W ciàgu roku nie odnotowa∏em ˝adne-
go odchylenia od czasu podawanego
przez WWV, przynajmniej o ile mog´
to oceniç za pomocà oczu i uszu. W koƒ-
cu roku 1997 nat´˝enie sygna∏u nada-
wanego przez WWVB wzros∏o trzykrot-
nie do 40 kW. Sygna∏ ten obejmuje
Ameryk´ Pó∏nocnà od Terytorium Ju-
kon w pó∏nocno-zachodniej Kanadzie
a˝ do Panamy na po∏udniu, a nawet
cz´Êç oceanów. Na granicy tego obsza-
ru jest on 50–100 razy silniejszy od pro-
gu s∏yszalnoÊci dobrych odbiorników,
wystarczajàco silny dla zegara z jego
malutkà magnetycznà antenkà.

Mechanizm zegara wykorzystuje po-

wtarzalnoÊç sygna∏u: jego procesor wy-

∏apuje co sekund´ gwa∏towny wzrost
sygna∏u, ale notuje równie˝ szerokoÊç
ka˝dego impulsu, która niesie w sobie
zakodowany dodatkowy bit informacji
o czasie. Urzàdzenie potrzebuje tylko
jednej minuty, aby odczytaç czas w se-
kundach, dat´ i dzieƒ tygodnia, a na-
st´pnie porównuje dane ze wskazania-
mi w∏asnego zegara kwarcowego.
Dzi´ki takiemu chronometrowi dok∏ad-
ny automatyczny pomiar czasu powi-
nien staç si´ powszechnie dost´pny.

Precyzyjny pomiar czasu wymaga za-

stosowania wyrafinowanej myÊli tech-
nicznej. Rozdzielenie cz´stotliwoÊci po-
mi´dzy kana∏ami przesy∏ania sygna∏u
oraz podzia∏ czasu we wspólnych ka-
na∏ach (niekiedy na mikrosekundowe
odcinki) to podstawowe narz´dzia s∏u-
˝àce do efektywnego wykorzystania
szerokoÊci pasma wzd∏u˝ zaprz´gni´-
tych do transmisji wiàzek promienio-
wania, przewodów i w∏ókien optycz-
nych. Jedynie wspania∏y satelitarny GPS
(Globalny System Lokalizacji) stanowi
w tym przypadku alternatyw´: pozwa-
la na bezpoÊredni, zale˝ny od po∏o˝e-
nia geograficznego pomiar czasu za po-
mocà mikrofal z orbity. Czas z GPS
mo˝e byç odbierany za poÊrednictwem
niewielkiej anteny zewn´trznej, a do-

bowy b∏àd jest zazwyczaj mniejszy ni˝
20 ns, czyli mieÊci si´ w dok∏adnoÊci je-
den do 10 bln. U.S. Naval Observatory,
oficjalne êród∏o podajàce czas (równie˝
telefonicznie) w Stanach Zjednoczonych,
monitoruje dzia∏anie GPS. W kompute-
rach osobistych wyposa˝onych w od-
powiednie oprogramowanie system
mierzy i koryguje opóênienie na ∏àczach
telefonicznych, co daje dok∏adnoÊç rz´-
du milisekund.

Z tego wszystkiego p∏ynie nauka. Jak

mo˝na nie cieszyç si´ spe∏nieniem ma-
rzenia, które nosi∏o si´ w sobie przez
ponad 70 lat? Moja malutka samonasta-
wiajàca Maszyna Czasu jest ka˝dego
dnia równie dok∏adna. (Zaj´∏o jej kilka
dni, ˝eby dostosowaç si´ do zmian cza-
su, poniewa˝ tutaj, na wybrze˝u Nowej
Anglii, mylàcy sygna∏ ze stacji MSF
w Rugby wymaga dodatkowej uwagi:
cz´stotliwoÊç jest ta sama jak w przy-
padku ELF, ale inny sposób kodowa-
nia.) Gdy jednak precyzja nie stanowi
ju˝ problemu, os∏ab∏a nieco satysfakcja
z bycia dok∏adnym chronometra˝ystà,
którà odczuwa∏em wczeÊniej. Czy˝ nie
lepiej byç podró˝nikiem uskrzydlonym
nadziejà ni˝ przybyç do celu podró˝y?

T∏umaczy∏

Jerzy Kowalski-Glikman

ZADZIWIENIA, ciàg dalszy ze strony 96