Rekordní ytterbiové hodiny. Kredit: N. Phillips/NIST.

V americkém Národním institutu standardů a technologie (NIST, National Institute of Standards and Technology) hledají nové možnosti, jak co nejpřesněji měřit čas. Teď si hrají s experimentálními atomovými hodinami a nedávno s nimi pokořili další rekordy. Tyhle hodiny jsou tak nesmírně přesné, že by se uplatnily při detailním měření gravitačního pole Země, při detekci vlnění časoprostoru gravitačními vlnami nebo třeba v experimentech hledajících temnou hmotu.

Atomové superhodiny institutu NIST tvoří tisícovka atomů ytterbia, které jsou polapené v laserových paprscích. Tyto lasery pálí bilionkrát za sekundu, což vede k tomu, že se polapené atomy přepínají mezi dvěma energetickými stavy, jako atomární metronom. Tyhle hodiny jsou přitom tak neuvěřitelně přesné, že se zpozdí o jedinou sekundu za déle než 300 milionů let.

Andrew Ludlow s jedněmi z experimentálních atomových hodin. Kredit: Burrus/NIST.

Vždycky je ale co zlepšovat. Andrew Ludlow z NIST a jeho tým přidali atomovým hodinám termální a elektrické stínění. Když pak porovnali dvoje takové experimentální hodiny mezi sebou, tak nakonec získali tři nové rekordy zároveň. Jde přitom o rekordy v detailnějších statistických parametrech, které možná nejsou tak oslnivé a srozumitelné, pěkně ale vypovídají o výjimečnosti testovaných hodin. Výsledky jejich výzkumu publikoval časopis Nature.

Prvním byl rekord v míře statistické chyby, který souvisí s tím, jak přesně jsou hodiny sladěné se spontánními vibracemi atomů. Podle Ludlowova týmu udělají jejich hodinu v průměru 1,4 chyby z 1 trilionu (10 na osmnáctou). Druhý rekord se týkal stability měření. Jde o to, jak se „tiky“ atomových hodin mění v čase. Podle měření týmu NIST jsou tyhle atomové hodiny stabilní opravdu výjimečně. Třetím pokořeným rekordem byl rekord v opakovatelnost měření, který spočíval v pozorování toho, jak se dvoje hodiny udrží ve stejném rytmu. Takové měření vědci opakovali desetkrát, aby zjistili, že se frekvence tikání obou hodin lišila méně než o jednu triliontinu.

Logo NIST.

Nové rekordy potvrzují, že s těmito hodinami bude možné měřit skutečné lahůdky. Aplikace s takovými hodinami by měly umožnit změřit geoid Země, tedy tvar planety vycházející z jejího gravitačního pole, s přesností na méně než 1 centimetr. To by bylo několikrát přesněji, než kolik zvládne nejlepší soudobá technologie. S ytterbiovými hodinami také bude možné detekovat gravitační vlny, které vysílají monumentální vesmírné exploze, a pak jemně vlní časoprostorem, a třeba i temnou hmotu, která by měla udržovat vztah s běžnou hmotou pouze prostřednictvím gravitačních interakcí.

Literatura
NIST 28. 11. 2018, Nature online 28. 11. 2018.