Vedci zostrojili najpresnejšie atómové hodiny

Nové hliníkové hodiny sa od presného času odchýlia iba o jedinú sekundu za 3,7 miliardy rokov.

V článku, ktorý vyjde v celosvetovo špičkovom fyzikálnom časopise Physical Review Letters, to oznámil James Chou z Národného ústavu pre štandardy a technológie (National Institute of Standards and Technology, NIST) v Boulderi s kolegami.

Nové hliníkové hodiny sa od presného času odchýlia iba o jedinú sekundu za 3,7 miliardy rokov. Predstavujú druhú verziu tzv. kvantových logických hodín NIST. Využívajú totiž logické spracovávanie prevzaté z ukladania údajov v atómoch pri pokusoch, ktoré sa týkajú vývoja kvantových počítačov.

Nové hodiny neprekonali "iba" svoj ortuťový náprotivok. Preukazujú, že optické hodiny v niektorých ohľadoch ďalej zvyšujú svoj náskok pred tzv. céziovými fontánovými hodinami NIST-F1, ktoré v USA fungujú ako štandard pre občiansky čas a od presného času sa odchýlia o jednu sekundu za približne 100 miliónov rokov.

Céziové hodiny však napriek podstatne nižšej presnosti zostávajú oficiálnym časovým štandardom, keďže základom medzinárodnej definície sekundy v sústave jednotiek SI je práve atóm cézia. Nijaké oficiálne hodiny nesmú byť presnejšie.

Základom rekordných logických hodín je jediný ión čiže elektricky nabitý atóm hliníka zachytený v elektrických poliach. Ión vibruje s frekvenciami ultrafialového svetla, ktoré sú približne stotisíckrát vyššie ako frekvencie mikrovlnného žiarenia využité v NIST-F1 a v podobných časových štandardoch inde vo svete. Optické hodiny tak delia čas na menšie jednotky, čo pre budúcnosť sľubuje až stonásobné spresnenie voči mikrovlnným.

Vedci v NIST vyvíjajú päť typov experimentálnych optických hodín založených na rôznych atómoch. Každý typ ponúka špecifické výhody. Na hliníkových je dôležité aj to, že sú druhou verziou, čo dokazuje, že také hodiny možno zreprodukovať, ako jedny z vôbec prvých optických hodín. Časový štandard prirodzene bude musieť mať viac exemplárov.

Novú verziu hliníkových porovnali so starou pri 65 skúškach, z ktorých každá trvala od 15 minút do troch hodín. "Tikajú" prakticky rovnako, rozdiely sa prejavujú až na sedemnástom mieste za desatinnou čiarkou. Táto zhoda je vyše desaťkrát lepšia, ako pri všetkých doterajších porovnaniach dvojice časomerných zariadení.

Atóm hliníka síce produkuje mimoriadne stabilné "tiky", no obťažne sa s ním manipuluje, vyžaduje "partnerský" atóm. V novej verzii hliníkových optických hodín je ním namiesto atómu berýlia štruktúrne podstatne vhodnejší atóm horčíka.

Mimoriadna presnosť optických hodín poslúži aj na meranie tempa možných zmien hodnôt základných prírodných konštánt s časom. Akokoľvek to neladí s výrazom "konštanta", viaceré fyzikálne teórie také čosi nevylučujú a výsledky sú mimoriadne dôležité pre náš pohľad na vesmír v najväčšom možnom meradle, kozmológiu.

Optické hodiny tiež umožnia dôkladnejšie testovať špeciálnu i všeobecnú teóriu relativity Alberta Einsteina. Mohli by viesť k vývoju nových typov gravitačných senzorov pre výskumy zemských útrob – od hľadania ložísk surovín po odhaľovanie základných geologických skutočností, alebo k ultrapresnej autonómnej navigácii, napríklad pristávaniu lietadiel pomocou GPS.