Sciencemag.cz
Doporučujeme
Díky nově dokončenému 1 400 km dlouhému propojení optických vláken mohli vědci poprvé přímo porovnat čas, který ukazují atomové hodiny ve Francii a v Německu. Optická vlákna propojila laboratoř v Paříži s vědeckým pracovištěm v německém Braunschweigu. Ukázalo se, že dvoje z nejpřesnějších atomových hodin v Evropě souhlasí s přesností 5 × 10 na -17. Jde o první krok na cestě k vytvoření celoevropské sítě, která bude poskytovat extrémně stabilní a přesný časový signál pro výzkum v mnoha oborech včetně fyziky, astrofyziky i geofyziky.
Určit přesný čas se lidé snažili už od antiky. K zásadnímu převratu však v tomto směru došlo až ve 20. století, konkrétně 3. června 1955, kdy fyzik Louis Essen světu představil první atomové hodiny. Šlo o vynález, který otevřel cestu takovým samozřejmostem dnešní doby, jako je třeba GPS. A proč atomové? Kmity atomů a atomové rezonance jsou totiž fyzikální konstantou, která je stejná na kterémkoliv místě.
První atomové hodiny pracovaly s atomy cesia a ve své době měly ohromující přesnost, neboť jejich odchylka dosahovala jedné sekundy za tři sta let. To je ovšem z dnešního pohledu hodnota směšně nízká. Přesto daly první atomové hodiny vzniknout nové a dodnes platné definici sekundy. Ta je 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133 při teplotě absolutní nuly (na to existují přesné korekce). Do té doby byla sekunda definována jako zlomek délky středního letního dne, protože však rychlost rotace Země není stálá (zpomalují ji například slapové síly nebo proudění magmatu mezi pláštěm a zemským jádrem), nemohlo toto řešení dlouho obstát.
Cesiové atomové hodiny se začaly stavět po celém světě a prostřednictvím rádiových signálů se porovnávaly jejich frekvence, aby se dosáhlo „celosvětového času“. Atomová přesnost však způsobila, že se údaje hodin a přirozený čas daný otáčením Země začaly rozcházet. Dnes se tento problém řeší vkládáním takzvaných přestupných sekund. Celou situaci to však značně komplikuje, případná chyba by dokonce mohla způsobit obtíže v řízení letecké dopravy.
Přesnost atomových hodin se stále zvyšovala a místo cesiových hodin přišla na svět takzvaná cesiová fontána, která vykazuje odchylku jedné sekundy za 158 milionů let. To však není konec. Na řadu nyní přichází optika a místo mikrovln se k měření atomových rezonancí využívá laserů. Tak vznikly optické atomové hodiny, které se nezpozdí ani o celou sekundu za 15 miliard let, což už je hodnota blížící se stáří vesmíru.
Optické atomové hodiny pracují tak, že udržují laser v rezonanci s přechodem elektronů mezi energetickými hladinami v nějakém atomu nebo iontu. Jedno „tiknutí“ hodin je pak rovno frekvenci laserového světla. Aby se zjistilo, že hodiny pracují správně, je třeba porovnat jejich frekvenci s dalšími zařízeními. Porovnání slouží také pro základní výzkum, zvláště pro testování základních fyzikálních zákonů a konstant, jež jsou pro funkci atomových hodiny podstatné. K porovnání se nyní využívá dvou hodin, jež pracují na stejném optickém přechodu v atomu stroncia a jsou udržovány v optické mřížce tvořené laserovým světlem. Jedny z těchto hodiny se nacházejí v LNE-SYRTE Laboratory v Paříži a pracují s nepřesností 4,1 × 10 na −17. Druhé, které pracují s nepřesností 1,8 × 10 na -17, jsou potom v PTB Braunschweig Laboratory.
Pokud by se oboje hodiny nacházely přímo vedle sebe, budou „tikat“ na přesně stejné frekvenci. Protože je však mezi nimi výškový rozdíl, jenž činí 25 m nad mořem, znamená to, že zemské gravitační pole není v obou místech stejně velké a hodiny pracují na mírně odlišných frekvencích. Tento posun způsobený odlišnou gravitací lze rozlišit už pro výškový rozdíl pouhých 5 m.
Spojení tvoří dvě komerční optická vlákna natažená mezi Paříží a Braunschweigem. Propojení nevede nejkratší cestou, ale jižní oklikou přes Štrasburk nacházející se na francouzsko-německých hranicích. Z každých 10 na 20 fotonů, které se vydají na cestu, dosáhne cílové stanice pouze jediný. Tento 200dB útlum je kompenzován přibližně deseti zesilovači signálu rozmístěných podél cesty. Německá část spojení, která vede z Braunschweigu do Štrasburku, má 710 km a slouží výhradně k propojení hodin. Francouzská část dosahuje 705 km a je využívána i k telekomunikačním účelům, mimo jiné přenáší internet. Pro zesilování signálu tedy bylo třeba používat dva různé způsoby.
Optické hodiny v Braunschweigu jsou už propojeny s pracovištěm v Max Planck Institute for Quantum Optics v Garchingu u Mnichova. Spojení tvoří 920 km dlouhá dvojice optických vláken. Vědci z Garchingu plánují použít signál optických hodin k provádění mimořádně přesných spektroskopických měření. Síť optických atomových hodin se poté bude dále rozšiřovat, aby i vědci z jiných laboratoří měli k tak vysoce přesnému časovému signálu přístup.
A k čemu vlastně tak přesný čas potřebujeme? S pomocí atomových hodin lze i při malých rychlostech a malých změnách gravitačního pole detekovat relativistické změny plynutí času. Bez nich by neexistovalo GPS, synchronizace internetu, obchodování na světových burzách ani další vymoženosti moderních telekomunikací. Atomové hodiny vědcům slouží také například k přesnému měření tvaru a hustoty naší Země či k potvrzení základních fyzikálních konstant. Další možné využití se týká již zmíněných spektroskopických měření, která hledají veličiny za hranicemi Standardního modelu.
Převzato z Matfyz.cz
1s za 300 let odpovídá stabilita přibližně 1e-10. Stabilita tradičních Cesiových svazkových hodin je ale typicky v řádu 1e-15, tedy 1s za cca 65 milionů let. Cesiové fontány pak vykazují stabilitu skutečně v řádu 1e-16 a optické hodiny v řádu 1e-17 až 1e-18.
Vybudování optické trasy mezi PTB a LNE bylo součástí mezinárodního evropského projektu, kterého se účastnila mj. i ČR. V rámci tohoto projektu (http://www.ufe.cz/cs/presna-porovnavani-distribuce-casu-frekvence-prostrednictvim-optickych-telekomunikacnich-siti) jsme porovnávali tradiční Cesiové svazkové hodiny umísťěné v Praze a Vídni pomocí optického vlákna délky asi 560km, které je v provozu od roku 2009.
„… se nezpozdí ani o celou sekundu za 15 miliard let, což už je hodnota blížící se stáří vesmíru“, praví se v článku.
Jelikož se však nyní udává stáří vesmíru na 13 miliard a 800 milionů let, ona hodnota zpoždění hodin se stáří vesmíru neblíží, nýbrž ji překračuje.