Už vás nebaví vaše hodinky na to, jak ztrácí čas v průběhu let? Nové atomové hodiny, které jsou dosud nejpřesnější, používají atomy ytterbia a lasery k přesné definici sekundy. Obrázek přes uživatele Flickr Earls37a
Pokud by hodinky na vašem zápěstí běhaly během roku pomalu pět minut, pravděpodobně byste na to nemysleli. Vědci a inženýři se však spoléhají na nejpřesnější atomové hodiny pro celou řadu aplikací a hledání stále přesnějších hodin pokračovalo po tisíciletí.
Nyní skupina vědců vedená Andrewem Ludlowem z Národního institutu pro standardy a technologie stanovila latku výše než kdy předtím. Jejich nejnovější atomové hodiny, představené včera, se předpovídají, že se stanou nepřesnými o množství 1, 6 sekundy po běhu celkem 10 18 sekund - nebo jinými slovy, ztratí jednu celou sekundu v průběhu asi 50, 8 miliard let. .
V článku, který popisuje jejich hodiny, vědci poskytli dvojici analogií pro tuto úroveň přesnosti: „je ekvivalentem určení věku známého vesmíru s přesností kratší než jedna sekunda, “ napsali, „nebo průměrem Země na méně než šířka atomu. “
Stejně jako všechny hodiny i atomové hodiny udržují konzistentní čas tím, že délku sekundy vycházejí z fyzické události, ke které dochází pravidelně. Zatímco mechanické hodiny používají k udržení času kyvné kyvadlo, atomové hodiny používají mechanismus, který se vyskytuje s ještě větší pravidelností: měrná frekvence světla potřebná k tomu, aby atom kolísal mezi dvěma energetickými stavy (konkrétně aby vycházel ze základního stavu) do vzrušeného stavu), což je vždy stejná hodnota. Například současný mezinárodní standard, který definuje dobu trvání sekundy, je 9 192 631 770 cyklů množství mikrovlnného záření, které způsobuje kolísání atomů cesia mezi dvěma energetickými stavy a v tomto procesu vyzařuje co nejvíce světla.
Několik faktorů však může zkreslit i ta nejpečlivější měření této frekvence. Výzkumníci za těmito novými hodinami vytvořili inovativní design (pomocí jiného prvku), který minimalizuje tato zkreslení více než kdykoli předtím.
Jejich konstrukce, nazývaná „optické mřížkové hodiny“, zachycuje atomy ytterbia uvnitř mřížky laserových paprsků. Jsou drženy na místě, atomy jsou bombardovány druhým typem laseru, který nutí jejich elektrony vyskočit v energetické hladině. Senzor zkontroluje, zda všechny atomy dosáhnou vyšší úrovně energie, a přesná světelná frekvence potřebná k tomu, aby tak učinily, se pak převede na přesnou délku sekundy.
Normálně jakýkoli mírný fyzický pohyb atomů, když jsou bombardovány, může vést k jemným změnám v frekvenci světla potřebného ke zvýšení jejich energetické hladiny (výsledek Dopplerovho posunu), což odhazuje přesnost hodin. Jak je však popsáno v MIT Technology Review, kde byly poprvé zveřejněny zprávy o hodinách, krabice laserových paprsků „drží atomy ve svěráku, který minimalizuje jakékoli Dopplerovy efekty.“ Navíc mříž zachycuje relativně velké množství. atomů (mezi 1 000 a 1 000 000) ve srovnání s většinou atomových hodin, takže průměrování množství záření potřebného ke zvýšení každého z nich na vyšší energetickou úroveň poskytuje přesnější hodnotu přesné frekvence záření, která se potom používá k nastavení času.
Porovnáním dvou takových hodin dohromady autoři našli něco pozoruhodného - každá „klika“ měří intervaly času tak dokonale, že jedno hodiny budou zaostávat za skutečným časem jen o desetinu sekundy, když naše Slunce obalí Zemi, jak se vyvíjí v červenou obří asi 5 miliard let.
Tyto nové hodiny - a postupné zdokonalování atomových hodin jako celku - by se mohly jevit jako čistě akademické pronásledování, ale ve skutečnosti existuje spousta velmi užitečných aplikací této technologie. V telefonu si například vezměte aplikaci „mapy“. Bez možnosti úzké synchronizace hodin na velké vzdálenosti by systém GPS nemohl fungovat, protože se spoléhá na přesné srovnání času, který signály potřebují k cestě z několika různých satelitů do vašeho zařízení podporujícího GPS.
Budoucí snahy, které by mohly využít tento nejnovější pokrok v technologii atomových hodin, by mohly spadat do vědy o geodézii, která se snaží přesně měřit nepatrné změny tvaru Země a jejího gravitačního pole v čase. Všechny hodiny tikají nekonečně pomaleji na hladině moře než na míli vysoké, protože gravitační síla je silnější, když je blíže k Zemi. V současnosti, s nejnáročnějšími atomovými hodinami, lze tento rozdíl v rychlosti měřit pouze při změně nadmořské výšky o tisíce stop, ale s novými hodinami budou detekovatelné, pokud budou hodiny zvýšeny nebo sníženy pouhým centimetrem, což systém potenciálně užitečný pro měření mírných změn tloušťky ledu nebo zvýšení nadmořských výšek v průběhu času při kolizi tektonických desek.
