Většina hodinek, které lidé používají k určování času, je každý měsíc přesná na 10 nebo 15 sekund. Luxusní mechanické hodinky (například Rolex) se každý den zkreslí o více – o vteřinu nebo dvě. Vědci potřebují něco mnohem přesnějšího a přesnějšího, protože jevy, které měří, často trvají jen miliardtiny sekundy.
Tady přicházejí na řadu atomové hodiny. První přesná verze byla sestrojena v roce 1955. Atomové hodiny měří čas měřením oscilací atomů při změně jejich energetických stavů. Každý prvek má charakteristickou frekvenci nebo soubor frekvencí, a protože atom „bije“ miliardkrát za sekundu, jsou takové hodiny velmi přesné. V Národním institutu pro standardy a technologie je „oficiální“ sekunda 9 192 631 770 cyklů atomu cesia. (Křemen v hodinkách kmitá přibližně 32 000krát za sekundu, tedy asi 290 000krát pomaleji než atomy cesia.)
Vědci hovoří o atomových hodinách z hlediska stability a přesnosti. U atomových hodin přesnost znamená, jak dobře měří vibrace atomů. Porovnáním dvou hodin mohou vědci změřit nejistotu při odečítání této frekvence – jak přesné hodiny jsou. Stabilita znamená, jak moc se tikání hodin mění v daném časovém úseku. Zprůměrujte velký počet tiků, řekněme 100 000, a získáte číslo, které lze poměřit se skutečným časem, který hodiny udržují. Vědci obvykle mluví o přesnosti, když říkají, že hodiny jsou tak přesné, že za miliony let získají nebo ztratí sekundu. Když vědci mluví o přesnosti, obvykle mají na mysli to, jak dobře hodiny odpovídají danému standardnímu referenčnímu bodu, takže v tomto smyslu jsou nejpřesnější vždy ty hodiny, u kterých nastavili standardní sekundu.
Tom O’Brian, šéf časové &frekvenční divize NIST, upozornil na několik typů atomových hodin: Ty, které se používají k určení standardní sekundy, jsou založeny na atomech cesia, ale jiné typy používají stroncium, hliník nebo rtuť. Některé používají vodík. Pro ještě lepší přesnost jsou v nejnovějších atomových hodinách atomy v nich obsažené superchlazeny, aby se eliminovaly jakékoli poruchy způsobené okolním teplem.
Největší odběratel atomových hodin, telekomunikační průmysl, je nasazuje k synchronizaci přepínačů optických vláken a věží mobilních telefonů, řekl O’Brian. Atomové hodiny se také používají v systému GPS k přesnému měření času signálů a k hlášení polohy vůči satelitům.
Jsou to jedny z nejpřesnějších hodin, které kdy byly sestrojeny, ale O’Brian poznamenal, že technologie se neustále zdokonaluje a vědci se snaží vytvářet stále přesnější měření času.
1. NIST F2
Tyto hodiny byly poprvé uvedeny do provozu v roce 2014 a spolu se svým předchůdcem NIST F1 pomáhají určovat standardní sekundu, kterou používají vědci na celém světě. Hodiny NIST F2 také synchronizují telekomunikace a dokonce i obchodování na finančních trzích pro oficiální denní čas. Hodiny používají sadu šesti laserů k chlazení atomů (je jich asi 10 milionů), zatímco další dvojice laserů jemně vynáší atomy vzhůru v komoře naplněné mikrovlnným zářením. Frekvence záření, které mění stavy většiny atomů, je to, co NIST používá k definování sekund. přesnost hodin je částečně dána tím, že pracují v chladu minus 316 stupňů Fahrenheita (minus 193 stupňů Celsia); chladné podmínky pomáhají chránit atomy cesia před bludným teplem, které by mohlo změnit měření oscilací atomu. Tyto hodiny získají nebo ztratí sekundu přibližně jednou za 300 milionů let.
2. University of Tokyo/ RIKEN
Toto jsou optické mřížkové atomové hodiny, které sestrojil tým pod vedením Hidetoshiho Katoriho. Využívá atomy stroncia uvězněné mezi laserovými paprsky a ochlazené na teplotu minus 292 F (minus 180 C). Optické mřížkové hodiny měří oscilace souborů uvězněných atomů, a mohou tak zprůměrovat případné chyby. Jejich nejistota, o níž 9. února informoval časopis Nature Photonics, je 7,2 x 10^-18, což je přibližně jedna sekunda za 4,4 miliardy let; vědci uvedli, že se jim podařilo spustit dvoje hodiny stejného typu a snížit tuto hodnotu na 2.0 x 10^-18, což je přibližně sekunda za 16 miliard let.
3. Stronciové hodiny NIST / JILA
NIST a JILA, společný institut Coloradské univerzity v Boulderu, sestrojily stronciové mřížkové hodiny, které dosáhly přesnosti 1 sekundy za 5 miliard let. Tým vedený fyzikem Jun Yeem publikoval svou práci v roce 2014 a výsledky dvakrát ověřil tím, že své hodiny porovnal s jinými, právě takovými. O’Brian uvedl, že NIST plánuje další experiment s hodinami, aby je posunul ještě dál a překonal stabilitu hodin sestrojených Katoriho týmem v Japonsku. Hodiny fungují na principu uvěznění atomů stroncia pomocí laseru v jakémsi prostoru ve tvaru placky. Červené laserové světlo naladěné na určitou frekvenci nutí atomy přeskakovat mezi energetickými hladinami a tyto skoky jsou „tiky“ – asi 430 bilionů každou sekundu.
4. Hliníkové kvantově logické hodiny
NIST nepoužívá jen atomy stroncia a cesia. V roce 2010 NIST sestrojil atomové hodiny, které využívají atom hliníku s přesností na sekundu za 3,7 miliardy let. Tyto hodiny používají jediný atom hliníku uvězněný v magnetickém poli s jediným atomem berylia. Lasery ochladí oba atomy téměř na absolutní nulu. Další laser je naladěn na frekvenci, která způsobuje změnu stavu hliníku. Stavy hliníku je však obtížné přesně měřit, proto je hliník spojen s atomem berylia. Jedná se o podobný proces, jaký se používá v sestavách kvantových počítačů.
5. Shortt-Synchronovy mechanické hodiny
Atomatickým hodinám se dostává veškeré slávy, ale O’Brian uvedl, že před jejich příchodem museli vědci stále používat mechanické hodiny – a některé byly poměrně přesné. Shorttovy hodiny, vynalezené v roce 1921, byly standardním vědeckým přístrojem na observatořích, dokud je nenahradily atomové hodiny. Hodiny byly ve skutečnosti duálním systémem, který se skládal z jednoho kyvadla ve vakuové nádrži propojené elektrickými dráty. Sekundární hodiny vysílaly každých 30 sekund elektrický impuls do primárních hodin, aby se zajistila jejich synchronizace, a kyvadlo ve vakuu bylo vyrobeno ze slitiny niklu a železa, aby se snížila tepelná roztažnost, která by změnila délku kyvadla, a tím i jeho kyv. Hodiny jsou tak přesné, že kyvadla lze použít k měření gravitačních účinků Slunce a Měsíce, a právě tento přístroj ukázal, že rotace Země není ve skutečnosti rovnoměrná. Testy na americké námořní observatoři v 80. letech 20. století ukázaly, že hodiny mají přesnost 1 sekundy za přibližně 12 let.
Aktuality
.