Atomové hodiny přicházejí v mnoha variantách. Některé jsou čipové elektroniky, vyvinuté pro armádu, ale nyní komerčně dostupné, zatímco větší a přesnější atomové hodiny sledují čas na satelitech GPS. Ale všechny atomové hodiny pracují na stejném principu. Čisté atomy - některé hodiny používají cesium, jiné používají prvky jako rubidium - mají určitý počet valenčních elektronů nebo elektronů ve vnějším obalu každého atomu. Když jsou atomy zasaženy specifickou frekvencí elektromagnetického záření (například vlny světla nebo mikrovlny), valenční elektrony přecházejí mezi dvěma energetickými stavy.
V šedesátých letech se vědci odvrátili od měření času založeného na oběžné dráze a rotaci nebeských těles a začali tyto hodiny používat na základě principů kvantové mechaniky. Může se to zdát jako podivný způsob měření času, ale doba trvání určitého počtu kmitů nebo „klíšťat“ ve vlně elektromagnetického záření je oficiální metoda, kterou vědci definují druhou. Konkrétně druhá je doba trvání oscilací mikrovlnného laseru 9 192 631 770, které způsobí přechod atomů cesia.
Máme ale ještě lepší atomové hodiny než ty, které měří cesium.
"Pokud by naše dvě hodiny ytterbia byly spuštěny na začátku vesmíru, v tomto okamžiku by se navzájem neshodli o méně než jednu sekundu, " říká William McGrew, fyzik z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) ), v e-mailu.
Ultrastabilní atomové hodiny ytterbiové mřížky NIST. Atomy ytterbia se generují v peci (velký kovový válec vlevo) a jsou posílány do vakuové komory ve středu fotografie, která má být manipulována a sondována lasery. Laserové světlo je přenášeno do hodin pomocí pěti vláken (jako je žluté vlákno ve spodním středu fotografie). (James Burrus / NIST) Ytterbiové hodiny v NIST, Yb-1 a Yb-2 jsou jedinečným typem atomových hodin známých jako optické mřížkové hodiny. Hodiny v zásadě používají elektromagnetické záření v optické frekvenci nebo lasery k zachycení tisíců atomů ytterbia a poté způsobují přechod jejich vnějších elektronů mezi stavem pozemní energie a stavem excitované energie. Ve srovnání s cesiem je nutná vyšší frekvence elektromagnetického záření, která způsobí přechod ytterbu.
Všechny elektromagnetické vlny, od rádiových vln po gama paprsky a veškeré viditelné světlo mezi nimi, jsou stejným typem vln tvořených fotony - rozdíl je prostě v tom, že vlny s vyššími kmitočty oscilují rychleji. Mikrovlny, které se používají k přechodu cesia, jsou roztaženy na delší vlnové délky a nižší frekvence než viditelné světlo. Klíčem k vytvoření lepších hodin je použití atomů, které přecházejí na vyšších frekvencích. Zatímco jedna sekunda je v současné době asi 9 miliard oscilací mikrovlnné trouby, stejné trvání času by představovalo blížící se 500 bilionům oscilací vlny viditelného světla, čímž by se zvýšila schopnost vědců přesně měřit čas.
Pokud je měřicí laser na ytterbiových hodinách nastaven na přesně správnou frekvenci, atomy ytterbia vyskočí do excitovaného energetického stavu. K tomu dochází, když laser má frekvenci přesně 518 295 836 590 586 866, 6 Hertz - počet „klíšťat“ za sekundu.
"To odpovídá vlnové délce 578 nanometrů, která se pro oko jeví jako žlutá, " říká McGrew.
Nová měření s Yb-1 a Yb-2, vedená týmem McGrew v NIST, dosáhla nových záznamů ve třech klíčových oblastech přesnosti měření, což v některých ohledech vedlo k nejlepším měřením toho druhého, kterého bylo kdy dosaženo. Hodiny konkrétně stanovily nové záznamy pro systematickou nejistotu, stabilitu a reprodukovatelnost. Nová měření jsou podrobně popsána v novinách publikovaných dnes v Nature .
Optické hodiny ytterbia jsou v těchto aspektech ještě přesnější než cesiové fontány, které se používají k určení definice sekundy. Hodiny ytterbia nejsou technicky přesnější než hodiny cesiové, protože přesnost je přesně to, jak blízko je měření oficiální definici, a nic nemůže být přesnější než hodiny cesiové, na nichž je definice založena. Přesto je zde klíčovou metrikou systematická nejistota - míra toho, jak blízko si hodiny uvědomují skutečnou, nerušenou a přirozenou oscilaci atomů ytterbia (přesná frekvence, která způsobuje jejich přechod).
Nová měření odpovídají přirozené frekvenci v rámci chyby 1, 4 dílu v 10 18, neboli přibližně jedné miliardtině miliardy. Cesiové hodiny dosáhly systematické nejistoty asi jedné části z 10 16 . Takže ve srovnání s cesiovými hodinami by nová měření ytterbia „byla 100krát lepší, “ říká Andrew Ludlow, fyzik NIST a spoluautor článku.
Úkolem těchto typů měření je zabývat se vnějšími faktory, které mohou ovlivnit přirozenou frekvenci atomů ytterbia - a protože se jedná o některá z nejcitlivějších měření, která kdy byla dosažena, je každý fyzický účinek vesmíru faktorem. "Téměř všechno, na co bychom teď mohli svévolně myslet, má nakonec nějaký vliv na kmitočet oscilace atomu, " říká Ludlow.
Mezi vnější efekty, které mění přirozenou frekvenci hodin, patří záření černého tělesa, gravitace, elektrická pole a malé srážky atomů. "Trávíme spoustu času snahou pečlivě projít a ... přesně porozumět všem efektům, které jsou důležité pro zmatení rychlosti tikání hodin - tuto přechodovou frekvenci - a jít dovnitř a provádět měření těch na skutečných atomech abychom je charakterizovali a pomohli nám zjistit, jak dobře můžeme tyto účinky skutečně kontrolovat a měřit. “
Aby se snížily účinky těchto přírodních fyzikálních faktorů, atomy ytterbia, které se přirozeně vyskytují v některých minerálech, se nejprve zahřívají do plynného stavu. Potom se používá laserové chlazení ke snížení teploty atomů ze stovek stupňů kelvinů na několik tisícin stupně, a pak se dále ochladí na teplotu asi 10 mikrokelvinů nebo 10 milióntin stupně nad absolutní nulou. Atomy se potom naloží do vakuové komory a do prostředí tepelného stínění. Měřicí laser prochází atomy a odráží se zpět na sebe a vytváří tak „mříž“, která zachycuje atomy ve vysokoenergetických částech stojaté vlny světla, spíše než v tekoucí vlně, jako je typický laserový ukazatel.
Zlepšení „stability“ a „reprodukovatelnosti“ měření, pro které hodiny ytterbia také nastavují nové záznamy, pomáhá dále vypovídat o vnějších silách, které hodiny ovlivňují. Stabilita hodin je v podstatě měřítkem toho, jak moc se frekvence mění v čase, která byla měřena pro Yb-1 a Yb-2 na 3, 2 dílu v 10 19 v průběhu dne. Reprodukovatelnost je měřítkem toho, jak blízko se tyto dvě hodiny shodují, a pomocí 10 srovnání bylo zjištěno, že rozdíl frekvence mezi Yb-1 a Yb-2 je menší než miliardtina miliardtiny.
"Je velmi důležité mít dvě hodiny, " říká McGrew. „Nejistota je charakterizována zkoumáním každého posunu, který by mohl změnit frekvenci přechodu. Vždy však existuje možnost „neznámých neznámých“, směn, které dosud nejsou pochopeny. Tím, že máme dva systémy, je možné zkontrolovat vaši charakterizaci nejistoty tím, že uvidíme, zda se dva nezávislé systémy vzájemně shodují. “
Takovou přesnost měření času již vědci používají, ale praktické aplikace vylepšených měření druhého zahrnují pokroky v navigaci a komunikaci. Ačkoli to nikdo nemohl vědět v té době, raná práce s atomovými hodinami v polovině 20. století by nakonec umožnila globální poziční systém a každý průmysl a technologii, která se na něj spoléhá.
"Nemyslím si, že bych mohl úplně předpovědět, jaké aplikace z toho za 20 nebo 50 let z toho budou mít největší prospěch, ale mohu říci, že když se ohlédnu zpět v historii, některé z nejhlubších dopadů atomových hodin dnes nebyly očekávány, " “Říká Ludlow.
Žluté lasery jednoho z NISTových ytterbiových optických mříží. (Nate Phillips / NIST) Ytterbiové hodiny lze také použít v pokročilém výzkumu fyziky, jako je modelování gravitačního pole a možná detekce temné hmoty nebo gravitačních vln. Hodiny jsou v zásadě tak citlivé, že by bylo možné detekovat jakékoli rušení způsobené měnící se gravitací nebo jinými fyzickými silami. Pokud byste umístili více hodin ytterbia po celém světě, mohli byste měřit drobné změny gravitace (která je silnější blíže k hladině moře i blíže k pólům), což vědcům umožňuje přesněji měřit tvar gravitačního pole Země než kdykoli předtím před. Podobně mohla být detekována interakce s částicemi temné hmoty nebo dokonce gravitačními vlnami ovlivňujícími dvě hodiny rozprostřené daleko od sebe.
"Vědecky používáme tuto úžasnou přesnost již dnes pro některá z těchto základních fyzikálních studií - hledáme temnou hmotu, hledáme variace základních konstant, hledáme porušení v některých Einsteinových teoriích a dalších věcech." … Kdybychom někdy objevili jakékoli porušení [zákonů fyziky] pomocí těchto neuvěřitelných měřících nástrojů, mohlo by to být obrovským měničem her v našem chápání vesmíru, a proto, jak se bude věda a technologie odtamtud vyvíjet. “
V příštích zhruba deseti letech je možné, že měřící vědecké instituce světa se rozhodnou redefinovat druhý na základě optických hodin, nikoli cesiových hodin. Taková redefinice je pravděpodobně nevyhnutelná, protože optické lasery pracují na mnohem vyšších frekvencích než mikrovlny, což zvyšuje počet „klíšťat“ hodin obsažených ve vteřině. Měření ytterbiových hodin by bylo dobrým kandidátem pro novou definici, ale optické mřížkové hodiny využívající rtuť a stroncium také přinesly slibné výsledky a iontové optické hodiny, které pozastavují a přecházejí jediný atom, představují další zajímavou možnost nové definice.
Tato měření atomových jevů jsou stále přesnější, a pokud nás naše vyvíjející se chápání času zabere, není možné to vědět.
