Ultra přesné atomové hodiny zdvojnásobují předchozí přesnost, mohly by detekovat temnou hmotu

Čas: ohýbá se a deformuje nebo se zdá, že se zrychluje či zpomaluje v závislosti na vaší pozici nebo vnímání. Přesné měření jeho plynutí je proto jedním z nejzákladnějších úkolů fyziky, což by nám mohlo pomoci přistát na Marsu, nebo dokonce pozorovat temnou hmotu.

Fyzikové z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) a Delawarské univerzity nyní vyvinuli dosud nejpřesnější atomové hodiny, které pomocí světelné „sítě“ zachycují a excitují rozptýlený oblak chladných atomů stroncia.

„Tyto hodiny jsou tak přesné, že dokáží detekovat drobné efekty předpovězené teoriemi, jako je obecná relativita, a to i v mikroskopickém měřítku,“ říká Jun Ye, fyzik z laboratoře JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) při NIST na Coloradské univerzitě. „Posouvá to hranice možností měření času.“

S celkovou systematickou přesností 8.1 x 10^-19 jsou stronciové hodiny dvakrát přesnější a preciznější než předchozí rekordman. NIST je místem, kde výzkumníci pracují s technologiemi, které zvyšují přesnost globálních standardních měření, jako je mezinárodní jednotka času, sekunda.

Tam, kde lze k vyjádření jednotky hmotnosti použít pevný blok materiálu, chybí času trvalá fyzikální vlastnost, ke které bychom se mohli vracet a která by umožnila konzistentní měření. Místo toho se spoléháme na zákonitosti, které se spolehlivě opakují, jako je rotace Země, kývání kyvadla nebo bzučení elektrifikovaného kusu křemene.

Předvídatelná je i rotace Země, která se v určitých intervalech zpomaluje a zrychluje. Nalezení zákonitostí v přírodě, které lze měřit způsobem, jenž se liší o nepatrné stupně, by vedlo ke stále přesnějšímu měření času. Jedním z takových vzorů je chvění excitovaných elektronů obklopujících atom. Standardní sekunda je například definována „poskakováním“ specifických elektronů obíhajících kolem atomu cesia. Nabité mikrovlnami o určité frekvenci se 9 192 631 770krát za sekundu vystřelí do vyšších energetických stavů a zase se vrátí zpět.

Dnešní nejlepší cesiové atomové hodiny, poprvé vyvinuté v roce 1955 a od té doby zdokonalované, udržují čas s přesností na jednu třísetmiliontinu sekundy za rok. Pro srovnání, vaše náramkové hodinky ztratí nebo získají přibližně 180 sekund (nebo 3 minuty) ročně. Vědci zabývající se měřením však zvažují, že v příštím desetiletí vteřinu znovu definují, protože technologie atomových hodin se rychle vyvíjejí.

V posledních dvou desetiletích se do popředí dostaly atomové hodiny, které excitují atomy nebo ionty světlem o kratší vlnové délce, než jsou mikrovlny, a stanovily rekordy ve stabilitě a přesnosti. Tyto nové atomové hodiny, které vyvinul fyzik JILA Alexander Aeppli a jeho kolegové, jsou atomovým skokem napřed oproti předchozím nejlepším optickým mřížkovým hodinám, které Ye a další kolegové z JILA pomáhali vyvinout v roce 2019.

„Stanovují měřítko přesnosti všech dosud oznámených optických hodin,“ píší Aeppli, Ye a kolegové ve svém preprintu, kde nové hodiny popisují. Hodiny ve své jednorozměrné „síti“ laserového světla zachycují desítky tisíc atomů stroncia, což nabízí vyšší úroveň přesnosti. Mělká světelná síť, která pracuje v ultravysokém vakuu na tenké vrstvě superchladných atomů stroncia, také minimalizuje chyby tím, že snižuje destabilizující účinky laserů a atomů, které do sebe narážejí.

Díky této přesnosti, která je základem přesnosti, by hodiny měly ztrácet pouze jednu sekundu každých 30 miliard let, což by mohlo pomoci cestovatelům ve vesmíru udržet čas na obrovské vzdálenosti. „Pokud chceme přistát s kosmickou lodí na Marsu s naprostou přesností, budeme potřebovat hodiny, které budou řádově přesnější než ty, které máme dnes v GPS,“ říká Ye. „Tyto nové hodiny jsou významným krokem k tomu, aby to bylo možné.“

Stále přesnější hodiny by také mohly zaznamenat drobné odchylky v oscilacích atomů, které mohou signalizovat slabou interakci s temnou hmotou nebo relativistickou gravitaci. „Každé zvýšení stability a přesnosti otevírá nové oblasti zkoumání, jako je například stanovení hranic temné hmoty nebo zkoumání obecné relativity,“ píší vědci.

Kromě optických atomových hodin však mohou existovat i jiné způsoby, jak těchto nových hranic dosáhnout. Vědci také experimentují s využitím kvantového provázání k měření času a s buzením atomových jader, nikoliv celých atomů, pomocí laserů, což by mohlo být využito k vytvoření stabilnějších zařízení pro měření času.

Výzkum byl zveřejněn na preprintovém serveru arXiv, a to ještě před jeho publikováním v odborném časopise Physical Review Letters.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: arxiv.org, physics.aps.org