Atomové hodiny z lutetia nabízejí rekordní přesnost

Čas, který ukazují hodinky nebo telefon, pro běžný život většinou stačí. Vědci však usilují o mnohem vyšší přesnost, a proto k co nejpřesnějšímu měření časových úseků používají atomové hodiny.

Jak atomové hodiny z lutetia měří čas

Tyto přístroje se opírají o „tikání“ světelných vln nebo mikrovlnných signálů. Jejich frekvenci určují elektrony, které po excitaci vnějším zdrojem energie přecházejí mezi energetickými hladinami. U každého prvku probíhají tyto přechody se specifickou známou frekvencí, takže k zajištění přesného tikání lze využít jediný atom daného prvku.

Nové atomové hodiny nyní podle svých tvůrců překonávají všechny dosavadní rekordy v přesnosti. Využívají lutetium a sekundu měří s nejistotou menší než jedna desetitriliontina sekundy. To je přibližně čtyřikrát lepší výsledek, než jakého bylo dosud dosaženo.

Jinými slovy, pokud by hodiny běžely 300 miliard let, tedy zhruba deset trilionů sekund, měly by se odchýlit o méně než sekundu. Práci vědců z Národní univerzity v Singapuru, kteří přístroj vyvinuli, zveřejnil časopis Nature.

„Jsem přesvědčen, že nyní máme nejpřesnější hodiny na světě,“ říká fyzik Murray Barrett. „Do budoucna si zkrátka nedovedu představit, jak by tyto hodiny mohl někdo překonat.“

Atomové hodiny tradičně využívaly jako referenční prvek cesium, v posledních letech se ale zkoušejí i další prvky, například stroncium. Tyto prvky oscilují rychleji než cesium, a umožňují tak více tiknutí za sekundu.

Možnosti využití lutetia zkoumají vědci už deset let a dosud jsou jediným týmem, který jeho potenciál pro měření času dokázal využít.

Stabilita a ověření přesnosti lutetiových hodin

Předností lutetia je především stabilita. Jeho atomová struktura poskytuje mimořádně dobrou ochranu před teplem, magnetismem a pohybem, které by jinak narušovaly přechody elektronů mezi energetickými stavy.

„Díky těmto dobrým vlastnostem lze vysoké přesnosti dosáhnout i v celé řadě různých prostředí,“ říká Barrett.

„Lutetiové hodiny by zůstaly stabilní, i kdybyste přešli z nejteplejšího zaznamenaného místa na Zemi v Údolí smrti na nejchladnější místo na antarktické náhorní plošině.“

Aby vědci přesnost svých atomových hodin ověřili, sestrojili druhý přístroj rovněž založený na lutetiu. Oba pak porovnali a zohlednili přitom Einsteinovu obecnou teorii relativity, protože hodiny nestály na úplně stejném místě.

Během 200 hodin měření, která se rozložila do celkem 12 dnů, byly rozdíly mezi oběma přístroji tak malé, že byly fakticky nulové.

„Říká se s nadsázkou, že ‚člověk s jedněmi hodinkami ví, kolik je hodin, člověk se dvěma si nikdy není jistý‘,“ uvádí fyzik Kyle Arnold.

„V podstatě to říká, že jediným způsobem, jak ověřit přesnost etalonu, je porovnat hodiny a prokázat reprodukovatelnost.“

Využití a zmenšení atomových hodin z lutetia

Tyto mimořádně přesné hodiny nejsou jen velmi dobrým referenčním zdrojem času. Jsou také neocenitelné při některých z nejzákladnějších a nejrozsáhlejších výzkumů ve fyzice, například při měření změn gravitace na různých místech Země.

Tým chce technologii atomových hodin dále rozvíjet a zmenšit ji. V současnosti zabírá celou laboratoř, vědci by ji však rádi přesouvali mezi jednotlivými místy. Díky tomu by mohli přesnost přístroje ověřit na více lokalitách a využít jej i v praxi, například ke sledování podzemního magmatu.

Také v tomto směru mohou pomoci vlastnosti lutetia. Prvek využívá běžně dostupné lasery, které nezabírají nadměrné množství místa, a funguje při pokojové teplotě bez objemných chladicích systémů.

„Dalším krokem je vzít hodiny o velikosti laboratoře a miniaturizovat je do podoby přenosného systému,“ říká fyzik Michael Lee.

Výzkum byl publikován v časopise Nature.

Faktickou správnost tohoto článku ověřila Rachel Garner a redakčně jej upravila Fiona MacDonald. Přestože jsme na svůj postup hrdí, jsme jen lidé. Pokud objevíte chybu, dejte nám prosím vědět.