Generacja i stabilizacja częstotliwości. Wybrane zagadnienia

Niektóre konsekwencje osiągnięcia
przez wzorce częstotliwości dokładności
rzędu 10^-15,10^-16

Wzorce z wiązką atomową.
Przesunięcie częstotliwości przez promieniowanie termiczne

Osiągnięcie przez wzorce częstotliwości wysokich dokładności pozwala na pomiar zjawisk, których wpływ był dotąd zaniedbywany. Jako przykład można podać zależność częstotliwości atomowych linii spektralnych od promieniowania termicznego.Teoria tego zjawiska została opisana dopiero w roku 1982 [14a]. Wartość średnia kwadratu natężenia pola elektrycznego niespolaryzowanego i izotropowego promieniowania cieplnego wyraża się wzorem 

i odpowiednio pola magnetycznego

Wymienione pole elektryczne wymusza obniżenie częstotliwości linii rezonansowej cezu w wyniku dynamicznego efektu Starka. Ostatnio efekt ten został pomierzony eksperymentalnie we wzorcu cezowym [15]. Teoria przewiduje, że dla temperatury 300 K przesunięcie częstotliwości powinno być równe -169(3) × 10^-16 w odniesieniu do 7=0 K. Eksperymentalnie uzyskano -179(16) × 10^-16. Natomiast wpływ pola magnetycznego związany z dynamicznym efektem Zeemana daje przesunięcie około 3600 razy mniejsze i obecnie może być zaniedbany. 

Sprawdzanie
postnewtonowskich teorii grawitacji

W pracy [14b] omówiono możliwości sprawdzenia sparametryzowanych postnewtonowskich teorii grawitacji za pomocą bardzo dokładnych wzorców częstotliwości (lepszych od 10^-16). Prawdopodobnie wkrótce będzie możliwe sprawdzenie przez pomiar ewentualnej zależności prędkości światła od kierunku, czy przestrzeń (próżnia kosmiczna) jest izotropowa. 

Sprawdzenie teorii Stanisława Bellerta
o naturze przesunięcia ku podczerwieni

Jestem zdania, że dalsza poprawa dokładności wzorców częstotliwości umożliwi sprawdzenie teorii Stanisława Bellerta o przesunięciu ku podczerwieni [16]. Ewentualne potwierdzenie teorii Bellerta dałoby ważny argument za odrzuceniem kosmologicznej teorii wielkiego wybuchu.

Metrologia a teoria względności

Zagadnienia związane z postępem w zwiększaniu dokładności wzorców częstotliwości omówił w ciekawy sposób Guinot w pracy [17]. W szczególności autor opisał związki metrologii i ogólnej teorii względności. W zasadzie metrologia wymaga podejścia relatywistycznego jedynie w odniesieniu do pomiarów czasu i częstotliwości. Jednakże relatywistyczne podejście do innych wielkości może prowadzić do lepszego poznania. Guinot poruszył również temat Einsteinowskiego Postulatu Równoważności (ekwiwalentności)
(EPR), podkreślając, że jeden z podstawowych postulatów szczególnej teorii względności zakłada, że żaden niegrawitacyjny eksperyment nie może umożliwić rozróżnienia dwóch układów inercjalnych (lorentzowskich). Jest to idealizacja i uogólnienie związane z przyjęciem postulatu o niezależności szybkości światła od układu odniesienia. Ogólna teoria względności, która jest metryczną teorią grawitacji, została zbudowana w taki sposób, że EPR obowiązuje lokalnie. Takie sformułowanie lokalnych praw fizyki nazywane jest Einsteinowską Zasadą Równoważności (EZR). Pytanie, czy EZR oznacza niezmienność stałych fizycznych jest przedmiotem sporów. Guinot przyjął w swych rozważaniach, że niezmienność stałych fizycznych obowiązuje. Przydatność zegarów atomowych do reprezentowania skal czasu przy studiowaniu systemów makroskopowych jest konsekwencją EZR. Istotne jest, że definicja lokalności uzależniona jest od dokładności zegarów. Do roku 1920 cały Układ Słoneczny mógł być traktowany jako system lokalny. Aktualnie w geodezji Ziemia nie może być traktowana jako system  lokalny. W pomiarach czasu zbliżamy się do sytuacji, gdzie nawet objętość wzorca atomowego nie może być traktowana jako system lokalny. Wpływ pola grawitacyjnego Ziemi jest rzędu 10^-16 na jeden metr wysokości. Przykładowo, wzorce atomowe NIST w Boulder, Colorado, położone na wysokości około 2000 m npm powinny się różnić od wzorców PTB w Brunświku o 2 × 10^-13. W wymienionym artykule można znaleźć dalsze ciekawe rozważania dotyczące przyjętych aktualnie, a nie zawsze fortunnych definicji różnych wielkości w układzie SI.

Bezpośredni pomiar
częstotliwości laserów promieniowania widzialnego

Z perspektywy lat sześćdziesiątych trudno było przewidzieć, że w latach dziewięćdziesiątych będzie możliwy bezpośredni pomiar częstotliwości laserów promieniowania w zakresie widzialnym, czyli o długościach fali rzędu 400 – 700 nm, co odpowiada zakresowi częstotliwości od 430 do 750 THz (430÷750 × 1012 Hz). Aby porównać częstotliwości światła widzialnego generowanego przez wysokostabilne lasery do wzorca cezowego o częstotliwości około 9.192 GHz, trzeba zastosować powielenie częstotliwości o krotnościach od 47000 do 82000 lub analogiczne obniżenie częstotliwości świetlnych. Prace nad takimi urządzeniami są bardzo zaawansowane. Z tej przyczyny przewidywana jest następna redefinicja wzorca długości. Proponuje się zdefiniować metr na podstawie równania „długość = prędkość światła w próżni ÷ czas”, czyli: „Jeden metr jest długością, jaką płaska fala elektromagnetyczna pokonuje w próżni w odcinku czasu wynoszącym 1/299792458 sekundy”. Definicja ta opiera się na hipotezie, że prędkość światła w próżni jest stałą uniwersalną o wartości c = 299 792 458 [m/s] [14c].