Co jsou to atomové hodiny a jak vlastně fungují?

Slyšeli jste o atomových hodinách a přemýšlíte, co že to vlastně je? Atomové hodiny se třeba hodně skloňují v reklamách na nové hodinky, které se automaticky synchronizují právě s atomovými hodinami. Ale není to jen o této synchronizaci s hodinkami. Atomové hodiny jsou také důležité pro různé vědecké obory.

Jak to tedy je?

Začněme tedy obecným pojmem hodiny. Úkolem hodin je sledovat průběh času. To je jasné, to všichni samozřejmě víme. Všechny hodiny to dělají počítáním tikání rezonátoru. V kyvadlových hodinách je rezonátorem kyvadlo a ozubená kola v hodinách pak sledují čas počítáním rezonací (kývavé pohyby tam a zpět) kyvadla. Kyvadlo obvykle rezonuje při frekvenci jednoho kývnutí (švihu) za sekundu. Digitální hodiny pak používají oscilaci křemenného krystalu jako rezonátoru (krystal je pasivní elektrotechnická součástka používaná v elektronických obvodech jako rezonátor s velmi přesnou a stabilní rezonanční frekvencí) a frekvence se počítá pomocí digitálních čítačů. Přesnost hodin je pak určena přesností rezonátoru při stanovené frekvenci.

Atomové hodiny jsou hodiny, které jako rezonátor používají rezonanční frekvence atomů. Zde je rezonátor regulován frekvencí mikrovlnného elektromagnetického záření emitovaného nebo absorbovaného kvantovým přechodem (změnou energie) atomu nebo molekuly.

Přesnost atomových hodin je taková, že se rozcházejí maximálně o sekundu za 158 milionů let.

Výhodou tohoto přístupu je, že atomy rezonují při extrémně shodných frekvencích. Základem atomových hodin je kmitání molekul plynného čpavku, resp. atomů cesia. Vibrace těchto atomů je rychlejší (GHz) a stabilnější ve srovnání s křemenným krystalem, takže je možno dosáhnout větší přesnosti. Pokud vezmete jakýkoli atom cesia a požádáte ho, aby rezonoval, rezonuje přesně na stejné frekvenci jako jakýkoli jiný atom cesia. Cesium-133 osciluje rychlostí 9 192 631 770 cyklů za sekundu. Tento druh přesnosti se zcela liší od přesnosti „křemenných“ hodin. V „křemenných“ hodinkách je křemenný krystal vyráběn tak, že jeho kmitající frekvence je blízká některé standardní frekvenci – ale výrobní tolerance způsobují, že každý krystal je mírně odlišný, a navíc i věci, jako třeba okolní teplota, jemně frekvenci mění. Atom cesia vždy rezonuje na stejné známé frekvenci, opravdu vždy – a to je to, co dělá atomové hodiny tak přesnými.

Jsou atomové hodiny radioaktivní?

Jak jsme si tedy už řekli, atomové hodiny udržují čas lépe a přesněji, než jakékoli jiné hodiny.

Bez atomových hodin by GPS navigace byla nemožná, internet by se nesynchronizoval a poloha planet by nebyla známa s dostatečnou přesností, aby mohly být kosmické sondy vypuštěny, naváděny (třeba na přistání) a monitorovány.

Atomové hodiny nejsou radioaktivní. Nespoléhají se na rozpad atomů.

Jaké jsou typy atomových hodin?

Dnes, i když existují různé typy atomových hodin, princip u všech z nich zůstává prakticky stejný. Hlavní rozdíl je spojen s použitým prvkem a prostředky detekce, kdy se hladina energie mění.

Existují tedy tyto typy atomových hodin:

• Cesiové atomové hodiny – ty používají paprsek atomů cesia. Hodiny oddělují atomy cesia různých úrovní energie magnetickým polem.
• Vodíkové atomové hodiny – ty udržují atomy vodíku na požadované energetické hladině v nádobě se stěnami ze speciálního materiálu, takže atomy vodíku neztrácejí příliš rychle svoji energii. Zpozdí se jen o 1 vteřinu za milion let
• Rubidiové atomové hodiny – ty jsou, dá se říci, nejjednodušší a nejkompaktnější ze všech, používají skleněnou komoru rubidiového plynu. Stabilita Rubidiových hodin je tak vysoká, že se hodiny zpozdí jen o 3 vteřiny za milion let.

Nejpřesnější atomové hodiny, které jsou dnes k dispozici, používají atom cesia a normální magnetická pole a detektory.

A trocha historie – kdy byly vynalezeny atomové hodiny?

V roce 1945 profesor fyziky Isidor Rabi z Columbia University navrhl, že hodiny by mohly být vyrobeny technikou, kterou vyvinul ve 30. letech 20. století, nazvanou magnetická rezonance atomového paprsku. Roku 1949 Národní úřad pro standardy v USA (NBS, nyní Národní institut pro standardy a technologie, NIST) představil první atomové hodiny na světě využívající molekulu amoniaku jako zdroj vibrací a v roce 1952 pak představil první atomové hodiny využívající atomy cesia jako zdroj vibrací.

V roce 1955 postavila Národní fyzikální laboratoř v Anglii první hodiny s cesiem používané jako zdroj kalibrace. Během příštího desetiletí byly vytvořeny pokročilejší formy hodin. V roce 1967 se definovala na konferenci SI vteřina na základě vibrací atomu cesia – světový systém udržování času neměl v tomto okamžiku astronomický základ! Nejstabilnější cesiové hodiny na světě byla dokončeny v roce 1968 a byla používány do 90. let jako součást časového systému NIST.

V roce 1999 NIST-F1 zahájil provoz atomových hodin s přesností na přibližně jednu sekundu za 20 milionů let, což z nich činí nejpřesnější hodiny, jaké kdy byly vyrobeny.

A pár zajímavostí na závěr

Správná frekvence pro konkrétní rezonanci cesia je nyní definována mezinárodní dohodou jako 9 192 631 770 Hz, takže při dělení tímto číslem je výstup přesně 1 Hz nebo 1 cyklus za sekundu.

Dlouhodobá přesnost dosažitelná moderními atomovými hodinami cesia (nejčastější typ) je lepší než jedna sekunda odchylky za milion let. Atomové hodiny zvýšily přesnost měření času asi miliónkrát ve srovnání s měřeními prováděnými pomocí astronomických technik.

A co si dále přečíst?

• Atomové hodiny řídí hodinky řízené rádiem

VIDEO: Atomové hodiny zblízka (anglicky)