Jak poznat přesný čas? Napoví atomové hodiny
Atomové hodiny jsou všeobecně známy jako zdroj velmi přesného času. Jak takové hodiny vlastně pracují?
Úplně první doopravdy funkční atomové hodiny předvedl světu fyzik Louis Essen. Stalo se tak v roce 1955 v Národní fyzikální laboratoři v britském Teddingtonu. Vynález tehdy způsobil naprostou revoluci v měření času a hlavně otevřel cestu k technologiím, bez kterých si dnes neumíme představit běžný život. Atomové hodiny se využívají mimo jiné k určování tzv. univerzálního koordinovaného času – známého jako UTC, k synchronizaci internetu, ve vysokorychlostních letadlech, ve hvězdárnách nebo třeba v laboratořích. Své místo však mají i ve výzkumu NASA, kde by mohly usnadnit navigaci napříč vesmírem.
Jak fungují atomové hodiny?
Atomové hodiny fungují na základě kmitání atomů cesia. Z těch se při přechodu do vyššího a posléze do nižšího energetického stavu uvolňuje energie odpovídající určité frekvenci, která pak udává délku sekundy. Ta byla v roce 1967 oficiálně definována jako jako 9 192 631 770 kmitů atomů cesia.
Do roku 1967 byla sekunda určena jako 1/86 400 středního slunečního dne. Pro představu, jeden sluneční den je čas, který uplyne mezi dvěma průchody Slunce jedním poledníkem. Taková definice však nikdy nemohla být úplně přesná, protože rychlost rotace Země ovlivňuje značné množství faktorů. Záleží například na procesech v zemském jádru nebo plášti. A právě to je důvod, proč se čas stanovený vysoce přesnými atomovými hodinami postupně začal rozcházet s přirozeným časem daným otáčením země.
Dnes se proto tato situace řeší tak, že do mezinárodního koordinovaného času se jednou či dvakrát do roka vloží jedna sekunda. Proces zajišťuje speciální software a sebemenší chybička byl mohla způsobit narušení počítačových systémů, řízení letecké dopravy nebo třeba obchodování na burze.
Atomové hodiny v praxi? Využití mají třeba ve vesmíru
A jak tedy vypadá takové využití atomových hodin v praxi? Pomoci mohou třeba s určováním polohy vesmírných plavidel. Jde o poměrně komplikovanou metodu, kdy hodiny počítají, jak dlouho signál ze země na daný objekt a zpět. Výsledek pak může být zaslán zpět k plavidlu.
Atomové hodiny však mají potenciál usnadnit navigaci vesmírných sond a lodí ještě více. Pokud by totiž byly instalovány přímo do plavidel, ta by si pak sama mohla svou polohu určovat. Stačil by tak pouze jednosměrný signál ze Země, díky kterému by palubní počítač mohl téměř okamžitě zjistit, kde se nachází.
NASA proto momentálně testuje hodiny zvané Deep Space Atomic Clock (DSAC), které 25. června 2019 nechala vypustit palubě rakety Falcon Heavy. Celý testovací program bude trvat přibližně rok a výsledkem by mělo být otevření nových možností a usnadnění cestování vesmírem.
Víte, že čím výše žijete, tím pomaleji stárnete?
Atomové hodiny jsou také potvrzením Einsteinovy teorie relativity. Z té vyplývá, že čas neběží všem stejně rychle, ale je ovlivněn gravitací a rychlostí, jakou se objekt pohybuje. Pro demonstraci tohoto jevu se poměrně často využívá příklad s dvojčaty. Kdyby se jedno z nich vydalo rychlostí blízkou rychlosti světla do vesmíru, po návratu by zjistilo, že to, které zůstalo na Zemi, zestárlo mnohem více.
I když to zní trochu jako sci-fi, vědcům se opravdu v minulosti podařilo tyto efekty prokázat. Jak jinak, než pomocí atomových hodin. Ty však musely být umístěny až na oběžné dráze nebo v proudové stíhačce, aby byly rozdíly alespoň trochu patrné. Atomové hodiny se však daří stále vylepšovat, a tak v dnešní době už vědci mohou Einsteinovu teorii dokazovat i v běžných pozemských podmínkách.
Povedlo se to například fyzikům z Národního institutu standardů a technologií, kteří využili dvoje hodiny založené na pohybu jediného atomu hliníku pracující s přesností jedné sekundy na 3,7 miliardy let. Jedny z nich umístili přibližně o 33 centimetrů výše a díky jejich dokonalé přesnosti opravdu dokázali změřit, že nahoře čas utíká pomaleji. Než se však začnete stěhovat do horských oblastí s vidinou věčného mládí, měli byste vědět, že v průběhu osmdesáti let by se hodiny z experimentu rozešly asi o 90 miliardtin sekundy.
Nejen přesný čas díky atomovým hodinám za 2,7 milionů dolarů
Jedna zajímavost nakonec. Pokud patříte k vyvolené světové finanční elitě, možná vás nadchnou následující řádky. Švýcarská společnost Urwerk vyvinula a představila své atomové hodiny 2,7 milionů dolarů, které jsou výjimečné v mnoha ohledech. Ukazují vám totiž nejen přesný čas na několik desetiných míst, ale díky oscilátoru umí také jednu důležitou funkci: šeřídí a zregulují vám mechanické hodinky od společnosti Urwerk. Přesný čas na setiny sekundy si proto budete užívat i v běžných situacích.
Na hodiny a jejich fungování se můžete podívat v následujícím videu:
