Jak se měří přesný čas: 60 let od prvních atomových hodin

Když 3. června 1955 britský fyzik Louis Essen předvedl svým kolegům v Národní fyzikální laboratoři neboli National Physical Laboratory (NPL) v britském Teddingtonu svou nejnovější „hračku“, zapsal se do historie jako vědec, který zabil astronomický čas. Nešlo totiž o nic jiného než o první skutečně funkční atomové hodiny na světě – vynález, jenž způsobil revoluci v měření času a otevřel cestu celé řadě technologií a aplikací, které dnes považujeme za samozřejmé. „Bez atomových hodin by neexistovala GPS, synchronizace internetu, obchodování na světových burzách ani moderní telekomunikace,“ podotýká profesor Patrick Gill z NPL.

„Vědci na celém světě se snažili sestrojit atomové hodiny už od třicátých let dvacátého století,“ vysvětluje jeho kolega Peter Whibberley, „ale až Essenovy hodiny tady v NPL jako první skutečně dokázaly měřit čas lépe než samotná Země.“

Vteřina za tři sta let

„Atomové rezonance představují základní přírodní konstantu, protože mají stejnou frekvenci kdekoliv ve vesmíru, což je pro měření času ideální,“ objasňuje Whibberley. Essenovy hodiny – dvoumetrový horizontálně orientovaný aparát – měly na jedné straně zdroj cesiových atomů, dutinu s mikrovlnným zářičem, a na druhém konci citlivý detektor. V době své prezentace byly natolik přesné, že jejich odchylka dosahovala jediné sekundy za tři sta let.

Astronomové z věhlasné hvězdárny v britském Greenwichi, „střežící“ tehdy světový čas, si uvědomovali, že definice sekundy jako zlomku doby otočení Země kolem vlastní osy ve světě exaktní vědy dlouho neobstojí. Rychlost rotace naší planety totiž ovlivňují například procesy v zemském jádru a plášti či slapové síly Slunce a Měsíce. Už v 50. letech tak bylo jasné, že zmíněnou jednotku času bude nutné definovat znovu.

„V průběhu padesátých let porovnali vědci frekvenční rezonanci atomů cesia v Essenových hodinách s délkou jedné sekundy určené otáčením Země,“ vysvětluje Whibberley. „A uvedená hodnota byla později přijata jako nová oficiální definice sekundy.“ Od roku 1967 tak její délka odpovídá 9 192 631 770 kmitům atomu cesia 133.

Univerzální koordinovaný čas

Po publikování Essenových výsledků začaly laboratoře na celém světě stavět vlastní cesiové atomové hodiny. Brzy se navíc objevila myšlenka, že by bylo možné prostřednictvím rádiových signálů porovnávat jejich frekvence, čímž bychom dosáhli „sladění“ času všude na Zemi.

Zodpovědnost za utváření tzv. univerzálního koordinovaného času – známého jako UTC – převzal v 60. letech Mezinárodní úřad pro míry a váhy v Paříži (Bureau International des Poids et Mesures neboli BIPM). V současnosti porovnává informace ze 70 atomových hodin rozmístěných po celé zeměkouli.

Atomová přesnost však způsobila, že se údaje z hodin a přirozený čas daný otáčením Země začaly rozcházet. „Odchylka roste velmi pomalu, za sto let dostaneme dohromady možná minutu,“ vysvětluje Whibberley. „Přesnou rychlost odchylování ovšem nikdo nezná, protože zemská rotace je naprosto nepředvídatelná.“

Přestupná sekunda

Aby UTC a čas odvozovaný od rotace Země zůstaly ve shodě, upravovali vědci ten atomový nejprve přidáváním a ubíráním zlomků sekund. Na začátku 70. let se však mezinárodní časoměrná komunita dohodla, že by tyto zásahy měly probíhat méně často a odpovídat přesně jedné sekundě. Jedna tzv. přestupná sekunda byla do univerzálního koordinovaného času připočtena například na konci letošního června.

„Celý proces zajišťuje speciální software,“ vysvětluje Whibberley. „Cesiové hodiny ‚tikají‘ svou normální frekvencí, a program se nakonfiguruje tak, že ‚vytvoří‘ minutu s jednou sekundou navíc. Do fyzikálních procesů v atomové časomíře vůbec nezasahujeme.“

Je třeba dodat, že vložení přestupné sekundy, k němuž dochází jednou či dvakrát do roka, značně komplikuje situaci. V současné propojené společnosti totiž může jakýkoliv přehmat v této oblasti zásadně narušit počítačové systémy, světové burzy či třeba řízení letecké dopravy. „Servery zodpovědné za synchronizaci času na internetu někdy nezvládnou přestupnou sekundu správně vstřebat,“ objasňuje Whibberley. „Různé systémy najednou operují s trochu jiným časem, což může mít opravdu závažné následky.“

Cesiová fontána

Essenovy hodiny, dnes vystavené v londýnském Science Museum, udržovaly čas v NPL deset let. Ačkoliv byly postupně zpřesňovány, nakonec je nahradila pokročilejší verze. „První cesiové hodiny měly na jednom konci jakousi pec, která rozehřívala kousek cesia a vytvářela paprsek atomů, jenž prolétal skrz mikrovlnný zdroj,“ popisuje Whibberley. „Vy se pak snažíte naladit zmíněné mikrovlny na rezonanční frekvenci atomů. Jelikož se však pohybují velmi rychle, máte na to asi jen tisícinu sekundy, což velmi omezuje přesnost měření.“

Na konci 80. let 20. století došlo k novému průlomu – vynálezu tzv. cesiové fontány, která je na rozdíl od horizontálních Essenových hodin orientována vertikálně. Atomy v jejím nitru se chladí pomocí laserů, čímž se sníží jejich rychlost a prodlouží se čas k měření. „V cesiové fontáně se utvoří pomalu se pohybující oblak atomů, který je vymrštěn vzhůru a prolétá zdrojem mikrovln,“ vysvětluje Whibberley. „Studený oblak skrz ně stoupá a klesá, a my tak získáme celou polovinu sekundy na měření.“

Současná cesiová fontána v NPL vykazuje odchylku v hodnotě jediné sekundy za 158 milionů let, a patří tak k nejpřesnějším na světě.

Budoucnost patří optice

Ani téměř nadpřirozená přesnost cesiových fontán však vědce neodrazuje od hledání nových, ještě exaktnějších způsobů měření času. „Už delší dobu se uvažuje o tom, že bychom místo mikrovln mohli k měření atomových rezonancí používat lasery,“ přibližuje profesor Gill.

Za poslední desítky let vyvinuly laboratoře po celém světě několik typů optických atomových hodin, jež jsou mnohem přesnější než současné cesiové fontány. Podle některých odhadů může být zlepšení až stonásobné. Momentálně nejpřesnější přístroj – stronciové hodiny sestrojené americkým Národním institutem pro standardy a technologie neboli NIST –, se nezpozdí ani o celou sekundu za neuvěřitelných 15 miliard let. Uvedená doba přitom téměř odpovídá stáří vesmíru.

Vývoj v oblasti optických atomových hodin je natolik slibný, že by v příštím desetiletí mohlo dojít k další redefinici sekundy. Je tedy možné, že až bude cesiová časomíra slavit sedmdesátku, půjde už jen o muzejní exponát.

Atomové hodiny ve vesmíru

V honu za maximální přesností měření času přišli vědci i s další revoluční myšlenkou – umístit atomové hodiny do vesmíru. „V kosmu by je méně ovlivňovalo gravitační pole naší planety, které jejich přesnost snižuje,“ vysvětluje profesor Gill. „Existuje proto plán situovat několikery atomové hodiny do vesmíru a vytvořit z nich referenční body pro časomíry v letadlech i na Zemi.“

Současný problém však tkví ve velikosti zařízení. Například cesiová fontána v NPL měří 1 metr na šířku a 3 metry na výšku a její podpůrné vybavení zaplní celou místnost. Běžně již sice existují atomové hodiny o velikosti počítačového čipu, ale vykazují samozřejmě podstatně menší přesnost než cesiové fontány. „Musíme přijít na to, jak všechno tohle vybavení vtěsnat do nějakého ‚rozumného balíku‘, aby ho bylo možné umístit na družici,“ uzavírá profesor Gill. „Přitom ovšem pochopitelně potřebujeme zachovat maximální přesnost.“