Atomové hodiny

Měření času je vědecká disciplína, kterou se zabývaly už první civilizace na Zemi. Svým způsobem je měření času „vrozené“ všem živým organismům – všechny totiž pravděpodobně mají své „vnitřní hodiny“. Zkoumáním tohoto vnitřního času živých organismů se zabývá věda o biorytmech – chronobiologie. O té někdy jindy. Tento článek pojednává o nejmodernějším fyzikálním měření času.

Čas se dá měřit sledováním děje s pravidelným a měřitelným průběhem (vytékání vody z nádoby, odhořívání svíce, podle polohy Slunce, nebo periodickým kýváním kyvadla). Nejpřesnější časoměrné zařízení současnosti jsou atomové hodiny. Díky nim můžeme v dnešní době považovat čas za nejpřesněji určovanou fyzikální veličinu.

Jak fungují

Podobně jako pendlovky využívají pravidelného kmitání kyvadla, využívají i atomové hodiny kmity – ovšem na atomární úrovni. Jsou založené na využití přechodu elektronu v atomovém obalu atomu prvku z jednoho energiového stavu do jiného. V mikrosvětě, který se řídí kvantovou fyzikou, probíhá vyzařování a pohlcování elektromagnetického záření pouze v kvantech s přesně danou energií E, která souvisí s frekvencí f tohoto záření vztahem E = h∙f, kde h je tzv. Planckova konstanta. Přechod elektronu z jednoho stavu do vybuzeného stavu s o trochu vyšší energií je tak možný jedině přijetím elektromagnetického záření s velice přesně danou frekvencí odpovídající požadovanému kvantu energie.

Přechod atomu z jednoho stavu s energií E₁ do druhého s energií E₂ může být spojen s vyzářením nebo pohlcením elektromagnetického záření. Při přeskoku elektronu z vyšší energiové hladiny na nižší se vyšle elektromagnetické záření jednoznačně určené frekvence f = | E₂ – E₁|/h. Při přeskoku opačným směrem je potřeba dodat energii s toutéž frekvenci. V případě atomu cesia má tato frekvence f_Cs hodnotu 9 192 631 770 Hz. U atomu césia je f_Cs daleko lépe časově stálá (10^‑14) než např. doba kmitu kyvadla (10^‑5), doba periody oběhu Země (10^‑8), nebo frekvence kmitu krystalu křemene (10^‑11 – předchůdcem cesiových atomových hodin byly křemenné hodiny založené na oscilacích krystalu křemene). Proto se ve špičkově přesných atomových hodinách nyní nejčastěji používá právě cesium (velmi přesné jsou i s chemicky podobným rubidiem). Navíc v každém z energiových stavů má atom jiný moment hybnosti (spin), a tedy i jiný magnetický moment, což můžeme využít k jejich odlišení pomocí magnetu.

Princip hodin spočívá v přesném udržování frekvence oscilátoru, který budí mikrovlnné elektromagnetické pole rezonující s elektronem v atomovém obalu atomu přecházejícím mezi dvěma stavy tzv. hyperjemné struktury (dané rozštěpem původně jediné hladiny pod vlivem nepatrné poruchy – spinu jádra).

Jak jsou sestrojené

Ve vakuově vytápěné pícce se vypařují atomy cesia 133. ¹³³Cs je jediným stabilním izotopem tohoto prvku, ostatní jsou radioaktivní. Samovolně se dostávají do dvou různých energiových stavů E1 a E2. Přechod mezi těmito stavy je vyvolávaný zářením s frekvencí přesně 9 192 631 770 Hz. Magnet za píckou vychyluje atomy tak, aby do komory dutinového rezonátoru vstupovaly jen atomy s nižším energiovým stavem E1. Oscilátor budí v dutinovém rezonátoru mikrovlnné elektromagnetické pole, které nutí atomy přejít do vyššího energiového stavu E2. Pokud je frekvence oscilátoru budícího pole správná, přejdou elektrony v atomech pohlcením fotonů s odpovídající energií do stavu s vyšší energií. Druhý magnet pak atomy, které svůj stav z E1 do E2 opravdu změnily, posílá do detektoru. Počet atomů zaregistrovaný detektorem bude největší, pokud se frekvence mikrovlnného oscilátoru drží na frekvenci f_Cs. Frekvenci udržuje zpětnovazební smyčka – pokud signál na detektoru slábne, změní se frekvenci oscilátoru tak, aby se výstupní signál zesiloval více. Udržuje se tak velmi stabilní přesná frekvence. Počítáním kmitů dostáváme velmi přesný časový údaj. Napočítáním 9 192 631 770 period získáme časový interval jedné sekundy.

Definice sekundy

Cesiové hodiny se staly oficiálním časovým standardem pro měření času, neboť základem mezinárodní definice sekundy v základní soustavě fyzikálních jednotek SI je právě rezonanční frekvence atomu cesia 133. V jeho základním stavu odpovídá přechod mezi dvěma energiovými hladinami 9 192 631 770 kmitů za sekundu, což bylo v Paříži roku 1967 na 13. konferenci CGPM (Generální konference pro váhy a míry) zvoleno jako definice jedné sekundy. Do té doby byla definována astronomicky, původně z rotace Země (den), poté z oběhu Země kolem Slunce (rok).

Nejpřesnější přístroj, jaký člověk vyrobil

„Nová sekunda“ je přesnější než sekunda astronomická. Vzájemné srovnání délky dne oběma metodami ukazuje jasnou periodičnost odchylky v průběhu roku s roční periodicitou; vinu má tedy zřejmě nerovnoměrný pohyb Země (pohyb mas vzduchu i vod, vliv vzdalování Měsíce od Země).

U současných atomových hodin je nejistota v určení času asi 0,1 ns = 10^‑10 s za 24 hodin. V roce 2005 se podařilo dosáhnout frekvenční přesnosti 5.10^‑16, což odpovídá tomu, že za 60 miliónů let by se takové hodiny rozcházely nejvýše o jednu sekundu. V současné době jsou navrženy konstrukce, které budou mít nejistotu ještě tisíckrát menší, tj. řádu 1 : 10¹⁸.

Dosažená přesnost závisí na technickém provedení přístroje. Některé typy atomových hodin jsou velmi přesné v kratším časovém intervalu a méně v dlouhodobějším provozu, jiné naopak. Proto se v časových laboratořích často používají různé typy atomových hodin a jejich porovnáním se dosahuje ještě větší přesnosti měření času.

Přesnost závisí na tom, jak se u jednotlivých atomů mění energie (frekvence), potřebné k vybuzení elektronu z jednoho stavu do druhého. Jejich změny jsou způsobeny dvěma fyzikálními jevy. První vzniká tím, že se každý atom náhodně pohybuje a u každého tak vzniká jiná velikost Dopplerova posuvu u jím pohlcovaného fotonu. Tepelný pohyb atomů je náhodný a rozdělení rychlostí závisí na teplotě plynu. Čím je vyšší teplota, tím jsou vyšší i rychlosti pohybu atomů. Negativní vliv jevu se omezuje snížením teploty pracovního plynu. Proto se u nejpřesnějších atomových hodin používá např. laserové chlazení – zpomalení atomů působením laserového světla. Druhý jev ovlivňující přesnost pramení z kvantové podstaty mikrosvěta. Heisenbergův princip neurčitosti nás učí, že některé veličiny nelze určovat s libovolnou přesností současně – například energii a čas. Excitovaný stav, do kterého se atom dostane, není stabilní. Elektron přechází po nějaké době do stavu s nižší energií za současného vyzáření fotonu s energií, která se jeho přechodem uvolnila. Pravděpodobnost toho přechodu je přesně dána. I když tedy u jednotlivého atomu nelze říci, kdy u něj k přechodu dojde, u velkého souboru těchto atomů můžeme přesně říci, za jak dlouho přejde polovina z původního počtu vybuzených atomů do stavu s nižší energií. Tato doba se označuje jako poločas rozpadu daného stavu. Čím je poločas kratší, tím méně přesně je definována energie vybuzeného stavu a tím méně přesná je hodnota frekvence oscilátoru, která dokáže vybudit atomy. Proto se hledají jiné druhy atomů, u kterých má vybuzený stav delší poločas a tím i menší neurčitost v energii. Testuje se například rtuť či yterbium. V blízké době bychom měli umět sestrojit atomové hodiny s přesností jedné sekundy za dobu stáří vesmíru.

Podle atomových hodin se řídí GPS

Atomové hodiny se používají pro řízení jiných hodin, pro vědecké účely na observatořích, v laboratořích, reguluje se podle nich čas umělých družic, 24 cesiových hodim létá kolem Země ve výšce 20 200 km pro navigační systém GPS, slouží i pro navigační signály a signál radiových a televizních stanic. Největší možnosti využití jsou v armádě. Pomocí miniaturních atomových hodin se dají sestrojit palubní počítače letadel či naváděných střel, které pak dokonale přesně určí polohu.

V budoucnu umožní mimořádná přesnost optických atomových hodin ověřit či vyvrátit, zda se některé základní fyzikální konstanty mění s časem. Většina fyzikálních teorií totiž nevylučuje, že tyto „konstanty“ nejsou tak úplně konstantní… Výsledky budou mimořádně důležité pro poznání Vesmíru v nejširším možném měřítku. Vývoj atomových hodin může vést k vývoji nových typů gravitačních senzorů pro hledání nových ložisek surovin a k odhalování základních geologických struktur hlubin Země.

Historie a budoucnost

Princip atomových hodin vypracoval v roce 1946 Willard Frank Libby. V roce 1955 vyrobili ve Velké Británii L. Essen a J. Parry první cesiové atomové hodiny, jejichž přesnost dosáhla odchylky jedné sekundy za 300 let, a následně v roce 1969 Námořní výzkumná laboratoř v USA sestrojila první čpavkové atomové hodiny, jejichž přesnost byla 1 sekunda za 1,7 milionu let. Velmi přesné atomové hodiny NIST F‑1 využívající hluboce ochlazené atomy cesia začaly pracovat v roce 1999 v Americkém úřadu pro standardy a technologie. Zpřesňování měření času je pro vědu velmi důležité, zmenšování chyby ale není jedinou snahou o zdokonalení – vývoj směřuje k miniaturizaci. Dnes lze atomové hodiny vyrobit ve velikosti krabičky od zápalek. I v takovýchto malých rozměrech pracují s chybou jedné sekundy za 10 tisíc let při spotřebě energie jednoho wattu. Pro stavbu miniaturních atomových hodin se lépe hodí prvek rubidium, neboť ten dovolí větší možnosti miniaturizace. Takovéto hodiny však nejsou určené pro komerční účely – spíše pro vojenství.

V roce 2010 vědci z Národního ústavu pro standardy a technologie (National Institute of Standards and Technology, NIST) v Boulderu, Coloradu, 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 rtuťové.

Nový typ atomových hodin se odchýlí od přesného času pouze o jednu sekundu za 3,7 miliardy let. Základem těchto rekordních atomových hliníkových hodin je jediný iont, tedy jediný elektricky nabitý atom hliníku zachycený do elektrických polí. Iont vibruje s frekvencí ultrafialového záření, které jsou přibližně stotisíckrát vyšší než frekvence mikrovlnného záření využívaného v NIST‑F1, tedy v atomových cesiových hodinách. Hodiny tím dělí čas na menší jednotky, což slibuje až stonásobné zpřesnění oproti cesiovým hodinám. S atomy hliníku se však obtížně manipuluje a navíc požadují „partnerské atomy“, např. atomy berylia. V nové verzi hliníkových hodin je místo berylia využit atom hořčíku. Vědci v NIST nyní vyvíjejí pět typů experimentálních optických atomových hodin založených na atomech různých prvků, protože každý typ nabízí jiné výhody.

Weby:

Přesný čas podle atomových cesiových hodin:
http://www.presny‑cas.wz.cz/presny‑cas.html

Utilita pro synchronizaci času počítačů s přesným časem atomových časových serverů na internetu:
http://www.studna.cz/chronos‑atomic‑clock‑synchronizer‑p‑8715.html