Přeskočit na obsah

Atomové hodiny

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Image
Atomové cesiové hodiny, též nazývané cesiová fontána

Atomové hodiny jsou přesné hodiny, které měří čas na základě rezonanční frekvence atomů.

Atomové hodiny (respektive iontové hodiny) jsou druh hodin, které používají atomové rezonance jako standardu. Jejich přesnost je taková, že se rozcházejí maximálně o sekundu za 300 milionů let.[1]

Historie

[editovat | editovat zdroj]

Isidor Isaac Rabi roku 1944 získal Nobelovu cenu za objev metody měření magnetických vlastností atomů, částic jádra a molekul.[2] Princip této metody je založen na měření jaderného spinu. Roku 1945 byla veřejně navržena možnost sestrojit atomové hodiny (kosmické kyvadlo).[3] První atomové hodiny byly postaveny v roce 1949 v USA (čpavkový maser). Hodiny dále zdokonalil Norman Foster Ramsey. První přesné cesiové atomové hodiny byly postaveny Louisem Essenem v roce 1955 v National Physical Laboratory v Anglii.

Základem 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. Objev principu atomových hodin položil základy pro novou definici času. Přesto se zpočátku setkal s odmítavou reakcí astronomů a pro novou definici bylo více kandidátů (ještě například vodík či thallium).[4] Od roku 1967 je 1 sekunda oficiálně definována jako 9 192 631 770 kmitů atomů cesia. Do té doby byla charakterizována jako 1/86 400 středního slunečního dne. Koncem 20. století byla vylepšena jejich konstrukce (fontána zchlazených atomů), která dále umožnila zpřesnit jejich chod. Mezinárodně uznávaným standardem pro určování času se staly atomové hodiny v roce 1963.[5][6]

V současnosti se vyvíjejí optické hodiny (pracující na frekvenci THz) jejichž přesnost měření je již lepší, ale nejistota měření času být lepší nemůže (do přijetí nové definice jednotky času) v důsledku definice sekundy vázané na atomy cesia.

Princip cesiových hodin

[editovat | editovat zdroj]

Cesiové atomové hodiny fungují na základě zpětnovazební smyčky. Základ tvoří krystalový oscilátor, jehož frekvence je elektronicky řízena. Tento krystalový oscilátor je připojen na vysílač radiových vln, nasměrovaný do komory s atomy cesia v plynné atmosféře. Když dojde ke shodě frekvence oscilátoru (a tedy i vysílače) s vnitřní rezonanční frekvencí atomů cesia, přejdou tyto do excitovaného stavu. Excitované atomy cesia reagují odlišně na magnetické pole než neexcitované, a s pomocí magnetů tedy dojde k jejich detekci. Dle množství excitovaných atomů cesia je možno ladit frekvenci krystalového oscilátoru, aby se shodovala s rezonanční frekvencí atomů cesia, tj. 9 192 631 770 Hz.

I přes stálé technologické modernizace, vedoucí k lepší přesnosti a stabilitě,[7] cesiový standard postupně překonávají atomové hodiny založené na nových principech, využívajících přechody v atomech, iontech či atomových jádrech, odpovídající řádově vyšším frekvencím.

Optické atomové hodiny

[editovat | editovat zdroj]

Jako ještě slibnější se jeví nové typy tzv. optických atomových hodin, tedy hodin založených na kvantových přechodech s energiemi odpovídajícími frekvencím spektrálního pásma viditelného či ultrafialového záření, u kterých proběhne za 1 sekundu o zhruba 4 až 6 řádů více oscilací a potenciálně tak umožňují řádově vyšší přesnosti než nejpřesnější hodiny cesiové. Mohou to být optické atomové hodiny založené na přechodu v iontu ytterbia 171Yb+[8], stroncia 88Sr+[9][10][11], vápníku 40Ca+, rtuti 199Hg+ či hliníku 27Al+,[12][13] případně vysoce nabitého iontu niklu Ni12+.[14][15]

Jinou slibnou metodou je využití přechodů v neutrálních atomech v optické mřížce, tedy zachycených v potenciálu stojaté elektromagnetické vlny ze dvou protichůdných laserových paprsků. Limitující fundamentální (neodstranitelná) kvantová nepřesnost tak může být zredukována zprůměrováním a zvýšena tak stabilita a přesnost.[16][17] Mohou to být hodiny využívající přechodu v atomech stroncia 87Sr, ytterbia 171Yb či rtuti 199Hg.[18][19][20][17][21][22][23][12]

Technologie se nadále vyvíjejí a několikrát za rok jsou publikovány zprávy o dosažení vylepšené přesnosti či stability optických atomových hodin různých typů, jakož i o pokroku v jejich snazší konstrukci, lepší odolnosti proti vnějším vlivům, transportovatelnosti apod.[24][25][26][27][28][29][30][31] Vytvářejí se tak předpoklady pro připravovanou redefinici sekundy jakožto klíčové základní jednotky soustavy SI z cesiového standardu na nový, reflektující vyšší dosažitelné přesnosti v metrologii času a frekvence.[32][33][34][35]

Jaderné hodiny

[editovat | editovat zdroj]

Od r. 2011 je znám princip tzv. jaderných hodin, založených na přechodu mezi energetickými stavy jádra iontu thoria, který by umožňoval dosažení ještě řádově nižší nepřesnosti.[36][37][38] Jaderné hodiny mají i další výhody. Jsou ze své podstaty robustnější než atomové, protože jádro a jeho energetické přechody jsou méně citlivé k vnějšímu rušení než jsou přechody v orbitálních elektronech u atomových hodin.[39] V r. 2024 již byly zkonstruovány všechny důležité technické prvky nutné pro plně funkční jaderné hodiny, které by principiálně mohly dosáhnout stability 10−20, tedy nepřesnosti pouhých 10 ms za celý předpokládaný věk vesmíru (14 mld let), a byl zkonstruován první jejich prototyp.[40][41] I u jaderných hodin vývoj rychle postupuje a jsou ověřovány nové technologie k jejich konstrukčnímu zjednodušení.[42][43]

Použití

[editovat | editovat zdroj]

Atomové hodiny se používají při kontrole jiných hodin a pro vědecké účely ve hvězdárnách, v laboratořích, jsou umístěny na palubách družic navigačních systémů. Pracuje s nimi také NASA, která je využívá pro určování polohy vesmírných plavidel. Systém funguje tak, že hodiny počítají, jak dlouho letí signál ze země na daný objekt a zpět. Výsledek je pak zaslán zpět k plavidlu.[44] Nově NASA také testuje speciální atomové hodiny nazvané Deep Space Atomic Clock, které mohou být instalovány přímo do vesmírných lodí a pomohou tak celý proces navigace značně zjednodušit. První prototyp je již v provozu, byl vypuštěn na palubě rakety Falcon Heavy 25. června 2019.[45]

Odkazy

[editovat | editovat zdroj]

Reference

[editovat | editovat zdroj]
  1. ↑ SWENSON. NIST Launches a New U.S. Time Standard: NIST-F2 Atomic Clock. NIST [online]. 2014-04-03 [cit. 2021-08-22]. Dostupné online. (anglicky)
  2. ↑ The Nobel Prize in Physics 1944. NobelPrize.org [online]. [cit. 2023-10-09]. Dostupné online. (anglicky)
  3. ↑ http://tf.boulder.nist.gov/general/pdf/2917.pdf - The first public suggestion of an atomic clock
  4. ↑ http://www.leapsecond.com/history/1981-essen-leap-second.htm - Leap seconds, Story of the transfer from astronomical to atomic time, by L. Essen, D.Sc., F.R.S.
  5. ↑ Deep Space Atomic Clock (DSAC): Space Tech Timekeeper for Artemis Missions. nasa.gov [online]. 2019-01-19 [cit. 2020-01-24]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2019-04-23.
  6. ↑ Jak se měří přesný čas: 60 let od prvních atomových hodin. 100+1 zahraniční zajímavost [online]. 2016-11-11 [cit. 2019-06-13]. Dostupné online. (anglicky)
  7. ↑ PRESS, Rich. New atomic fountain clock joins elite group that keeps the world on time. Phys.Org [online]. 2025-04-28 [cit. 2026-01-07]. html Dostupné online. (anglicky)
  8. ↑ The tick-tock of the optical clock. PhysOrg, 29. březen 2012. Dostupné online (anglicky)
  9. ↑ CAMPBELL, Gretchen K; LUDLOW, Andrew D; BLATT, Sebastian; THOMSEN, Jan W; MARTIN, Michael J; DE MIRANDA, Marcio H G; ZELEVINSKY, Tanya. The absolute frequency of the 87Sr optical clock transition. S. 539–548. Metrologia [online]. 2008-10. Roč. 45, čís. 5, s. 539–548. Dostupné online. ISSN 0026-1394. doi:10.1088/0026-1394/45/5/008. (anglicky)
  10. ↑ MADEJ, Alan A., Pierre Dubé, Zichao Zhou, John E. Bernard, Marina Gertsvolf. 88Sr+ 445-THz Single-Ion Reference at the 10−17 Level via Control and Cancellation of Systematic Uncertainties and Its Measurement against the SI Second. Phys. Rev. Lett. [online]. 2012. Roč. 109, čís. 203002. Dostupné online. doi:10.1103/PhysRevLett.109.203002. (anglicky)
  11. ↑ RIEHLE, Fritz. Viewpoint: Optical Atomic Clocks Could Redefine Unit of Time (popularizační článek k předchozí referenci). Physics [online]. 12. listopad 2012. Roč. 5, čís. 126. Dostupné online. doi:10.1103/Physics.5.126. (anglicky)
  12. 1 2 CCTF Strategy Document, květen 2016 Dostupné online (PDF) (anglicky)
  13. ↑ HUNTEMANN, Nils. Trapped Ions Stopped Cold. S. 1–3. Physics [online]. American Physical Society, 30. leden 2017 [cit. 2017-02-07]. Svazek 10, čís. 9, s. 1–3. Dostupné online. Také PDF. (anglicky)
  14. ↑ FADELLI, Ingrid. Key steps towards the realization of a highprecision optical clock based on Ni12+. Phys.Org [online]. [cit. 2026-01-07]. clock.html Dostupné online. (anglicky)
  15. ↑ CHEUNG, Charles; PORSEV, Sergey G.; FILIN, Dmytro; SAFRONOVA, Marianna S.; WEHRHEIM, Malte; SPIESS, Lukas J.; CHEN, Shuying. Finding the Ultranarrow 3P2 → 3P0 Electric Quadrupole Transition in Ni12+ Ion for an Optical Clock. Physical Review Letters [online]. 2025-08-28 [cit. 2026-01-07]. Roč. 135, čís. 9: 093002. Dostupnost = preprint. Dostupné online. doi:10.1103/flwf-c2m1. (anglicky)
  16. ↑ JIRSA, Jakub. Ultrastabilní optické hodiny. Aldebaran bulletin [online]. 3. únor 2017 [cit. 2017-02-08]. Roč. 15 (2017), čís. 5. Dostupné online. ISSN 1214-1674.
  17. 1 2 WOGAN, Tim. New atomic clock sets the record for stability. PhysicsWorld.com, 27. srpen 2013. Dostupné online (anglicky)
  18. ↑ MIDDELMANN, Thomas; FALKE, Stephan; LISDAT, Christian, STERR, Uwe. High Accuracy Correction of Blackbody Radiation Shift in an Optical Lattice Clock. Physical Review Letters [online]. 27. prosinec 2012. Svazek 109, čís. 26, 263004. Dostupné online. Také PDF. ISSN 1079-7114. doi:10.1103/PhysRevLett.109.263004. (anglicky)
  19. ↑ Optical strontium clock to become much more accurate (popularizační článek k předchozí referenci). Phys.Org, 9. leden 2013. Dostupné online (anglicky)
  20. ↑ HINKLEY, N., SHERMAN, J. A.; PHILLIPS, N. B.; SCHIOPPO, M.; LEMKE, N. D.; BELOY, K.; PIZZOCARO, M.; OATES, C. W.; LUDLOW, A. D.;. An Atomic Clock with 10−18 Instability. Science Express [online]. 22. srpen 2013. Online před tiskem. Dostupné online. ISSN 1095-9203. doi:10.1126/science.1240420. (anglicky)
  21. ↑ NIST ytterbium atomic clocks set record for stability. PhysOrg, 22. srpen 2013. Dostupné online (anglicky)
  22. ↑ The atomic clock with the world's best long-term accuracy is revealed after evaluation, PhysOrg, 26. srpen 2011 (anglicky)
  23. ↑ BLOOM, B. J.; NICHOLSON, T. L.; WILLIAMS, J. R., CAMPBELL, S. L.; BISHOF, M.; ZHANG, X.; ZHANG, W.; BROMLEY, S. L.; YE, J. An Optical Lattice Clock with Accuracy and Stability at the 10−18 Level. Nature [online]. 22. leden 2014. Online před tiskem. Dostupné online. Také PDF. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/nature12941. (anglicky)
  24. ↑ GENKINA, Dina. Portable optical atomic clock makes its commercial debut. Physics World [online]. IOP Publishing, 2023-12-12 [cit. 2026-01-07]. Dostupné online. (anglicky)
  25. ↑ MARSHALL, Mason C.; CASTILLO, Daniel A. Rodriguez; ARTHUR-DWORSCHACK, Willa J.; AEPPLI, Alexander; KIM, Kyungtae; LEE, Dahyeon; WARFIELD, William. High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10−19 Systematic Uncertainty. Physical Review Letters [online]. 2025-07-14 [cit. 2026-01-07]. Roč. 135, čís. 3. doi:10.1103/hb3c-dk28. (anglicky)
  26. ↑ JACOBSON, Rebecca. World's most precise clock achieves 19-decimal accuracy with aluminum ion technology. Phys.Org [online]. 2025-07-14 [cit. 2026-01-07]. clock-decimal-accuracy.html Dostupné online. (anglicky)
  27. ↑ KIM, Kyungtae; AEPPLI, Alexander; WARFIELD, William; CHU, Anjun; REY, Ana Maria; YE, Jun. Atomic Coherence of 2 Minutes and Instability of 1.5×10−18 at 1 s in a Wannier-Stark Lattice Clock. Physical Review Letters [online]. 2025-09-03 [cit. 2026-01-07]. Roč. 135, čís. 10. preprint. doi:10.1103/3wtv-sty2. (anglicky)
  28. ↑ FADELLI, Ingrid. Entanglement-enhanced optical lattice clock achieves unprecedented precision. Phys.Org [online]. 2025-11-27 [cit. 2026-01-07]. lattice-clock-unprecedented.html Dostupné online. (anglicky)
  29. ↑ YANG, Y. A.; MIKLOS, Maya; TSO, Yee Ming; KRAUS, Stella; HUR, Joonseok; YE, Jun. Clock Precision beyond the Standard Quantum Limit at 10−18 Level. Physical Review Letters [online]. 2025-11-07 [cit. 2026-01-07]. Roč. 135, čís. 19. preprint. doi:10.1103/6v93-whwq.. (anglicky)
  30. ↑ VTT Technical Research Centre of Finland. Optical clock sets new accuracy record, bringing us closer to a new definition of the second. Phys.Org [online]. 2025-12-02 [cit. 2026-01-07]. Dostupné online. (anglicky)
  31. ↑ LINDVALL, T.; FORDELL, T.; HANHIJÄRVI, K. J.; DOLEŽAL, M.; RAHM, J.; WEYERS, S.; WALLIN, A. E. 88Sr+ optical clock with 7.9×10−19 systematic uncertainty and measurement of its absolute frequency with 9.8×10−17 uncertainty. Physical Review Applied [online]. 2025-10-27 [cit. 2026-01-07]. Roč. 24, čís. 4: 044082. doi:10.1103/czlf-bfvp. (anglicky)
  32. ↑ BIPM. Roadmap to the redefinition of the second [online]. Rev. 2025-03. Dostupné online. (anglicky)
  33. ↑ DIMARCQ, N.; GERTSVOLF, M.; MILETI, G.; BIZE, S.; OATES, C. W.; PEIK, E.; CALONICO, D. Roadmap towards the redefinition of the second. S. 012001. Metrologia [online]. IOP Publishing, 2024-02-01 [cit. 2026-01-07]. Roč. 61, čís. 1, s. 012001. Dostupné online. doi:10.1088/1681-7575/ad17d2. (anglicky)
  34. ↑ BOERKAMP, Martijn. New definition of second ticks closer after international optical-clock comparison. Physics World [online]. IOP Publishing, 2025-07-02. Dostupné online. (anglicky)
  35. ↑ LINDVALL, Thomas; PIZZOCARO, Marco; GODUN, Rachel M.; ABGRALL, Michel; AKAMATSU, Daisuke; AMY-KLEIN, Anne; BENKLER, Erik. Coordinated international comparisons between optical clocks connected via fiber and satellite links. S. 843. Optica [online]. 2025-06-20 [cit. 2026-01-07]. Roč. 12, čís. 6, s. 843. doi:10.1364/OPTICA.561754. (anglicky)
  36. ↑ Campbell C. J., Radnaev A. G., Kuzmich A., Dzuba V. A., Flambaum V. V., Derevianko A.: A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place. ArXiv:1110.2490v1, 11. října 2011 (anglicky)
  37. ↑ Bob Yirka: Research team shows nuclear clock could be 60 times more accurate than atomic clock. PhysOrg, 9. listopadu 2011 (anglicky) – popularizační článek k předchozí referenci
  38. ↑ Bob Beale: Proposed nuclear clock may keep time with the Universe. PhysOrg, 8. března 2012 (anglicky)
  39. ↑ (Editorial). Progress on nuclear clocks shows the benefits of escaping from scientific silos. S. 7. Nature [online]. 2024-09-05 [cit. 2024-10-08]. Roč. 633, čís. 8028, s. 7. doi:10.1038/d41586-024-02829-0. PMID 39232155. (anglicky)
  40. ↑ DUMÉ, Isabelle. Nuclear clock ticks ever closer. PhysicsWorld [online]. IOP Publishing, 2024-10-02 [cit. 2024-10-08]. (anglicky)
  41. ↑ MIHULKA, Stanislav. První prototyp jaderných hodin by mohl porazit atomové hodiny. OSEL.cz [online]. 2024-09-05 [cit. 2026-01-07]. Dostupné online. ISSN 1214-6307. (anglicky)
  42. ↑ University of California, Los Angeles. An old jeweler's trick could unlock nextgeneration nuclear clocks. Phys.Org [online]. 2025-12-10 [cit. 2026-01-07]. html Dostupné online. (anglicky)
  43. ↑ ELWELL, Ricky; TERHUNE, James E. S.; SCHNEIDER, Christian; MORGAN, Harry W. T.; TAN, Hoang Bao Tran; PERERA, Udeshika C.; REHN, Daniel A. Laser-based conversion electron Mössbauer spectroscopy of 229ThO2. S. 300–305. Nature [online]. 2025-12-11 [cit. 2026-01-07]. Roč. 648, čís. 8093, s. 300–305. Dostupné online. doi:10.1038/s41586-025-09776-4. (anglicky)
  44. ↑ Jak poznat přesný čas? Napoví atomové hodiny [online]. [cit. 2020-01-23]. Dostupné online.
  45. ↑ VÍTEK, Jan. NASA spustila svůj nový prototyp vesmírných atomových hodin DSAC [online]. [cit. 2020-01-23]. Dostupné online.

Externí odkazy

[editovat | editovat zdroj]
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Atomové_hodiny&oldid=25689974“