Co vlastně měří hodiny
Když se podíváme na hodinky, zdá se, že čas plyne v přesně rozdělených dílech. Jedna minuta má šedesát sekund a den čtyřiadvacet hodin. Odkud se ale bere samotná délka sekundy? Dříve se odvozovala od astronomického pohybu Země. Pokud se den rozdělí na 86 400 stejných částí, dostaneme něco velmi blízkého sekundě, jak ji známe.
Takový postup byl pro každodenní život dlouho dostačující. S rozvojem vědy se však ukázalo, že naše planeta není ideálním časoměrným strojem. Rychlost její rotace se nepatrně mění například vlivem interakce s Měsícem, přesunů hmoty v oceánech, atmosféře i zemském nitru. Pro přesné experimenty a moderní technické systémy proto nebylo vhodné stavět základní jednotku času na pohybu, který není dokonale stabilní.
Metrologové hledali pravidelnější přírodní děj, jenž by bylo možné reprodukovat ve specializovaných laboratořích po celém světě. Odpověď nakonec našli v atomech.
Proč právě cesium
Atomy určitého chemického prvku mají za vhodných podmínek velmi přesně definované energetické přechody. Když atom přechází mezi dvěma energetickými hladinami, souvisí s tím záření o charakteristické frekvenci. U izotopu cesia 133 se pro definici sekundy využívá konkrétní přechod mezi dvěma velmi blízkými hladinami základního stavu, označovanými jako hyperjemné.
Atomové hodiny jsou zařízení, která tuto pravidelnost používají jako referenci. Elektronický oscilátor se průběžně porovnává s frekvencí přechodu a podle výsledku se koriguje, aby zůstával mimořádně stabilní. Není tedy třeba představovat si miniaturní kuličku, která se fyzicky otáčí miliardkrát za sekundu. Slovo „kmitání“ v populárním vysvětlení označuje periodický elektromagnetický děj spojený s přechodem mezi hladinami.
Na 13. zasedání Generální konference pro míry a váhy v říjnu 1967 byla přijata definice, podle níž sekunda odpovídala trvání 9 192 631 770 period záření tohoto přechodu u cesia 133. Výchozí číslo nebylo vybráno libovolně. Navazovalo na dosavadní astronomickou jednotku, aby nová sekunda zůstala stejně dlouhá jako ta stará – jen ji bylo možné realizovat podstatně přesněji.
Proč záleží na nepatrné chybě
Běžnému člověku se rozdíl několika miliontin sekundy může zdát bezvýznamný. V navigaci, telekomunikacích a vědeckých měřeních se však chyby rychle sčítají nebo převádějí na jiné veličiny. Signál se šíří omezenou rychlostí a systémy pracující s rádiovými vlnami potřebují přesně znát časy jejich vyslání a přijetí.
Satelitní navigace například využívá synchronizovaná časová měření k určení vzdáleností mezi přijímačem a družicemi. Přesnost hodin je tedy jednou z nezbytných podmínek, aby mohl telefon spolehlivě určit polohu. Důležité jsou přitom i korekce známé z Einsteinovy teorie relativity: čas na družici neplyne vzhledem k hodinám na Zemi úplně stejně, a bez započtení těchto rozdílů by se navigační výpočty postupně rozcházely.
Přesný čas je stejně zásadní pro fungování komunikačních sítí, měření fyzikálních konstant či koordinaci rozsáhlých vědeckých experimentů. Sekunda tak představuje jeden z neviditelných základů současné infrastruktury.
Atomové hodiny už nejsou konečná stanice
Cesium dodnes tvoří základ definice sekundy, ale nejpřesnější experimentální hodiny už mohou používat i jiné atomy a přechody v optické oblasti elektromagnetického spektra. Tyto takzvané optické hodiny pracují s mnohem vyššími frekvencemi, a proto mohou za vhodných podmínek poskytovat ještě jemnější měřicí referenci.
Mezinárodní úřad pro míry a váhy BIPM v roce 2022 výslovně uznal pokrok optických standardů a další práci na možné budoucí redefinici sekundy. To neznamená, že by dnešní cesiová sekunda byla nesprávná. Spíše se měřicí technika zlepšila natolik, že vědci zvažují, zda by nová definice nepřinesla další zvýšení přesnosti.
Je pozoruhodné, že něco tak samozřejmého, jako je vteřina na displeji telefonu, se opírá o jeden z nejlépe reprodukovatelných jevů atomové fyziky. Hodiny už dávno jen neodměřují pohyb Slunce po obloze. Pomáhají nám sjednotit celý technologický svět podle stejného fyzikálního měřítka.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Bureau International des Poids et Mesures – 13th Meeting of the CGPM (1967), Resolution 1: SI Unit of Time [2], Bureau International des Poids et Mesures – Resolution 5 (2022): On the Future Redefinition of the Second [3]. img ai generated
