Az óra, ami 300 év alatt legfeljebb 1 másodpercet késik

Pár évvel azután, hogy tömegpusztító háborús célokra fordították az atommagban rejlő energiákat, az ötvenes években indult be igazán az atomkorszak. 1955 ilyen szempontból kiemelkedő év volt: vízre tették az első atommeghajtású tengeralattjárót, a USS Nautilust, a Pentagon bejelentette, hogy Amerika nukleáris ballisztikus rakétaarzenál gyártásába kezd, termelni kezdett az első kereskedelmi célú atomerőmű, és hogy valami békésebb, kevésbé félelmeteset is megemlítsünk: ketyegni kezdett az első igazán pontos atomóra, új korszakot nyitva ezzel az idő mérésében.

Erre azért volt szükség, mert a Föld forgásidejéhez kötött időmérés nem megbízható, legalábbis abból a szempontból semmiképp, hogy a Föld saját tengelye körüli forgása százévenként 1,4 milliszekundummal csökken, amit ráadásul a tektonikus lemezek változó mozgása megjósolhatatlan úton-módon befolyásol. Ez a vekkert reggel dühösen lecsapó átlagembernek nyilván semmit nem jelent, de tudományos szempontból, a mértékegységek végtelenségig precíz világában elfogadhatatlan változás, ami leginkább a műholdas navigáció térnyerésével vált sürgető problémává.

Működőképes atomóra építésének ötletét a Columbia Egyetem fizikaprofesszora, Isidor Rabi vetette fel még 1945-ben, ami után pár évvel az Egyesült Államok Szabványügyi Irodája (United States Bureau of Standards) meg is építette az első olyan időmérő szerkezetet, ami az atomok mágneses rezonanciáját, az atomok rezgésének frekvenciáját használta időmérési alapnak. Az 1949-ben épült ammónia-mézeres atomóra (azaz olyan szerkezet, amiben ammóniamolekulákat gerjesztettek mikrohullámú sugárzással) az alapelv helyességét demonstrálta, bár pontossága elmaradt a várakozásoktól, a később megalkotott egyszerű kvarcórák is vetekedtek vele.

Az első pontos atomórát Louis Essen és Jack Parry, a teddingtoni Nemzeti Fizikai Laboratórium kutatói építették meg 1955-ben. A két brit tudós az 55-ös rendszámú, 28,5 Celsius-fokon folyékony halmazállapotú alkálifém, a cézium egyetlen stabil izotópját, a cézium-133-at vették elő, és tették meg az általuk épített szerkezet lelkének. A leginkább egy szánkóhoz hasonlító atomóra szíve egy kis fűtőegység, amibe behelyezve a céziummal töltött üvegkapszulát a fém gőzzé változik.

A gőzben atomi állapotban lévő céziumatomok másodpercenként 9 192 631 770-et (kb 9.2 milliárdot) rezegnek, azaz két eltérő, jól elkülöníthető energiaszintű állapot közt váltakoznak. Ezt a fizikai állandót az atomi céziumnyalábban a készülék detektora nagyfrekvenciás rádióhullámok segítségével volt képes mérni. A céziumos atomóra nemcsak precíznek, de konzisztens is bizonyult: a becslések szerint háromszáz év alatt legfeljebb 1 másodpercet késett vagy sietett csupán. Amikor 1955. június 3-án a céziumos atomórával kezdték az Egyesült Királyság rádiós időjelét adni, Essen csak annyit mondott: “ez a csillagászati másodperc halála, és az atomidő születése”.

A céziumos atomórának köszönhetően a nemzetközi mértékegységrendszerben (SI) az idő alapegységét, a másodpercet a cézium két energiaszintje közti átmenettel határozzák meg (“az alapállapotú 133-as céziumatom két hiperfinom energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás 9 192 631 770 periódusának időtartama”). 1955 óta természetesen nem állt le az atomórák fejlesztése, azóta több, más elven, más anyagokkal működő, nagyságrendekkel pontosabb atomórát építettek az atomfizikusok. Jelenleg a legpontosabbnak tartott szerkezetek nulla Kelvin közelébe hűtött atomok oszcillálását használják az idő mérésére, és akár háromszázmillió évnek is el kellene telnie, hogy egy másodpercet csússzanak. Essen első atomórája jelenleg a londoni Tudományos Múzeumban látható.

Sok ország atomórák egész rendszerét üzemelteti szinkronban, hogy megbízható és stabil időmértéket használhassanak az élet rengeteg területén, így például a rádiózásban, televíziós műsorszórásban, a globális kommunikációban, vagy a GPS navigációs rendszerek működtetésében. De elég ha a mobiltelefonunk soha nem késő órájára gondolunk: áttételesen mindannyian atomórát hordunk a zsebünkben.