Cesiové hodiny

První atomové hodiny

Historie dnešních atomových hodin spadá do roku 1929, kdy byly sestrojeny první křemenné hodiny, tedy hodiny na bázi kmitů atomu křemíku. V roce 1929 sestrojil W. A. Morrison tedy křemenné hodiny, roku 1946 vypracoval Američan Williard Frank Libby princip atomových hodin a v roce 1955 vyrobili ve Velké Británii L. Essen a J. Parry první cesiové atomové hodiny, jejichž přesnost dosahuje odchylky 1 sekundy za 300 let, a následuje rok 1969 kdy Námořní výzkumná laboratoř v USA po dlouhých letech náročných fyzikálních zkoumání sestrojila první čpavkové atomové hodiny, jejichž přesnost dosahuje odchylky 1 sekundy za 1,7 milionu let.

Atomové hodiny v současnosti

V roce 2010, tedy v současné době, vědci sestrojili značně vylepšenou verzi experimentálních hodin, jejichž základem je atom hliníku. V současnosti jsou nepřesnější na planetě a více než dvakrát přesnější než dosavadní držitel rekordu – atomové hodiny sestavené na základě využití rezonanční frekvence atomu rtuti. V oznámení publikovaném v celosvětově uznávaném fyzikálním časopise Physical Review Letters tuto novinku oznámil  Mr. James Chou z Národního ústavu pro standardy a technologie - National Institute of Standards and Technology, NIST v Boulderu. Atom hliníku se však jakoby brání a své tajemství přesnosti nechce pravděpodobně otevřít lidem bez boje: Obtížně se s ním manipuluje a požaduje svůj „partnerský atom“. Vědci však vyřešili i tyto vlastnosti hliníku – v nové verzi hliníkových optických hodin je jím místo poprvé využitého atomu Berylia využit strukturálně podstatně vhodnější atom hořčíku.

Budoucnost měření času a atomové hodiny

Nový typ atomových hodin, resp. optických atomových hliníkových hodin se odchýlí od přesného času pouze o jednu sekundu za 3,7 miliardy let. Tyto atomové hodiny představují druhou verzi tzv. kvantových logických hodin NIST. Proč logických ? Atomové hliníkové hodiny totiž využívají logické zpracování převzaté z ukládání údajů v atomech při pokusech, které se týkají vývoje kvantových počítačů. Základem těchto rekordních logických atomových optických hliníkových hodin je jediný iont, tedy jediný elektricky nabitý atom hliníku zachycený do elektrických polí. Iont vibruje s frekvencemi ultrafialového světla, které jsou přibližně stotisíckrát vyšší oproti frekvencím mikrovlnného záření využívaného v NIST-F1, tedy v atomových Cesiových fontánových hodinách a v jim podobných zařízeních a odvislých časových standardech jinde ve světě. Optické hodiny tím dělí čas na menší jednotky, což pro budoucnost slibuje až stonásobné zpřesnění logických atomových optických hliníkových hodin oproti Cesiovým.

Optické hliníkové atomové hodiny

Nové optické hliníkové atomové hodiny však nepřekonaly pouze svého rtuťového předchůdce: dokazují, že optické hodiny v některých ohledech zvyšují svůj náskok před tzv. Cesiovými fontánovými hodinami NIST-F1, které v USA fungují k definici a měření přesného času  pro občanský čas a od přesného času se odchýlí zhruba o jednu sekundu za více než 100 milionů let.

Oficiální časový standard

Atomové cesiové hodiny pro měření času však oproti nižší přesnosti zůstávají oficiálním časovým standardem, neboť základem mezinárodní definice sekundy v základní soustavě fyzikálních jednotek SI je právě rezonanční frekvence atomu Cesia. Časový standard měřený atomovými hodinami přirozeně bude muset mít více exemplářů – zatím novou verzi odborníci porovnali se starou při 56 zkouškách, kdy každá zkouška trvala od patnácti minut do třech hodin. Tyto hodiny „tikají“  v podstatě stejně, bez rozdílu, ty se projevují až na sedmnáctém místě za desetinnou čárkou. Takto dosažená shoda díky atomovým hodinám je více než desetkrát lepší oproti všem dosavadním porovnáním dvojice časových zařízení.

Vývoj atomových hodin

Vědci v NIST vyvíjejí pět typů experimentálních optických atomových hodin založených na různých prvcích, resp. jejich jednotlivých atomech, neboť každý jeden typ nabízí své specifické výhody. Na hliníkových atomových hodinách je důležité především to, že jsou svého druhu druhou verzí, což dokazuje, že také hodiny lze úspěšně zreprodukovat, jako jedny z prvních optických hodin. Dnešní atomové hodiny fungují na principu příjmu elektronů, které vydává při přechodu z jedné energetické hladiny na druhou. Moderní atomové hodiny fungují na principu absorpčního stereoskopu studených atomů v atomových fontánách například hodiny NIST-F1. Mezinárodní agentury určují přesnost atomových hodin na 10^ -9 sekund za den.

 Využití atomových hodin v praxi

Mimořádná přesnost optických atomových hodin bude využita mimo jiné na měření tempa možných změn hodnot základních přírodních konstant s časem. Jakkoliv předešlé využití slova „konstanta“ přesně neladí s jeho původním významem, i když většina fyzikálních teorií toto využití nevylučuje - ba naopak : výsledky jsou mimořádně důležité pro pohled lidstva na Vesmír v nejširším možném měřítku – v kosmologii a umožní důkladněji testovat Einsteinovu speciální i všeobecnou teorii relativity. Tyto hodiny by mohly vést k vývoji nových typů gravitačních senzorů pro výzkumy útrob Země od hledání nových ložisek důležitých surovin po odhalování základních geologických skutečností, nebo k mimořádně přesné autonomní navigaci, například při přistávání letadel za využití technologie GPS.

Princip funkce atomových hodin

Atomové hodiny pracují podle následujícího principu: Ve vytápěné peci se atomy 133Cs dostávají do dvou různých energetických stavů E1 a E2, z nichž jeden označíme symbolem (+) a druhý stav symbolem (-). Přechod atomu ze stavu (+) do stavu (-) může být vynucen, přičemž je tento přechod spojen s vysíláním elektromagnetického záření chrakteristické frekvence. Podle zákonů atomové fyziky je fCs rovna rozdílu energií stavů (+) a (-) dělené Planckovou konstantou h. V případě atomu césia má tato frekvence fCs hodnotu 9 192 631 770 Hz. U atomu césia je fCs daleko lépe časově konstantní (10-14) než např. doba kmitu kyvadla (10-5), doba periody oběhu Země (10-8), nebo frekvence kmitu krystalu křemene (10-11). Čas se tak stal veličinou, kterou umíme změřit s největší dosažitelnou přesností. V blízké budoucnosti se podaří tuto přesnost alespoň o dva řády zvětšit.

Ve vakuové komoře atomových hodin se vypařují atomy césia.

Magnet, který se nachází za pecí vychyluje atomy tak, že se do komory dutinového rezonátoru dostanou jen atomy se stavem (+). Tady jsou atomy nuceny prostřednictvím ozáření magnetickým mikrovlnným polem přejít do stavu (-). Druhým magnetem jsou pak atomy, které zažily změnu stavu z (+) do (-), vedeny na detektor (wolframový drát). Počet atomů na detektoru je největší, pokud je frekvence magnetického mikrovlnného oscilátoru Q držena na frekvenci fCs. Zpětnovazební smyčka tak udržuje mikrovlnný oscilátor Q na frekvenci fCs. Napočítáním 9 192 631 770 period je získán ze signálu oscilátoru časový interval o jedné sekundě.