Jen atomové hodiny určují čas planety

Jen atomové hodiny určují čas planety

S časem běžně zacházíme nanejvýš na úrovni vteřin. Z hlediska věčnosti je to jednotka nicotná, i když leckdy představuje obrovský interval. V důsledku nás nutí měnit kalendáře a sázet na chvění atomů.
V běžném životě vystačíme s banálním poznatkem, že jedna vteřina je šedesátinou minuty, z jejíhož šedesátinásobku sestává hodina, doba, za jejíž čtyřiadvacetinásobek se naše planeta jednou otočí kolem své osy. Tak primitivní masku však nasadil času člověk. Příroda k posloupnosti věcí a dějů přistupuje rozmanitěji a kdykoli člověk ustaví nějaký pragmatický standard měření času, vždy naráží na hranici jeho omezené platnosti. Čas totiž nemá co společného s konstantou, je to veličina navýsost proměnná.

Pouť za superpřesností

Lze stvořit hodiny, které se od absolutního času odchýlí o jedinou vteřinu za dvacet miliónů let? Ano. A dokonce to má smysl. Jinak by se jimi nezabývaly "strážkyně času", dvě eminentní světová pracoviště ve Francii a v USA. Zrodil se vrcholný časový superstroj počítající záchvěvy atomů césia. Pokřtili jej "fountain clocks", což můžeme nazvat fontánové hodiny, kašnové hodiny, anebo při troše nadsázky hodinky s vodotryskem.
"Naším úkolem je vytvořit tak přesný a přenositelný základní standard času, jak to jen lze," vysvětluje Thomas Parker, šéf Skupiny atomového standardu z amerického Národního ústavu pro standardy a technologii NIST. Laboratoř pracovala na vývoji nejpřesnějších hodin světa čtyři roky.
Atomové hodiny, které se prvně uplatnily v roce 1949, slouží k synchronizaci časových signálů, bez nichž by se neobešly telekomunikace, radioastronomie, družicový navigační systém GPS a také vědecký výzkum. Význam vysoce přesného času pro vědu podtrhli Joseph H. Taylor a Russell A. Hulse, nositelé Nobelovy ceny za fyziku z roku 1993.
Vědci pracující s obrovským radioteleskopem v Arecibu objevili ojedinělý jev v podobě dvou kolem sebe obíhajících neutronových hvězd, které vysílají vždy po šesti setinách vteřiny rádiové pulsy. Po několikaletém vysoce přesném měření zjistili velmi nepatrné zvyšování frekvence pulsů. Vyvodili z toho, že se k sobě obě hvězdy přibližují a ztrácejí energii. Vypočtené energetické ztráty přesně v souladu s Einsteinovou obecnou teorií relativity odpovídaly tomu, co musí dvojice pulsarů vyzařovat v podobě gravitačních vln. Budoucí nositelé Nobelovy ceny tak získali první, byť nepřímý důkaz existence gravitačních vln.

Hodiny řídící hodiny

Přes půl století stará idea atomových hodin nabývá nové síly díky nejmodernější technologické inovaci - laserovému systému chladícímu atomy césia. Výsledkem jsou NIST F-1, atomové hodiny trojnásobně přesnější než předchozí NIST-7, který se v Národním ústavu pro standardy a technologii zrodil v roce 1993. Postup, jímž laser chladí atomy, vynesl vědcům Stevenu Chu, Claudovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi D. Phillipsovi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1997.
Princip lze zjednodušeně vysvětlit takto: při pokojové teplotě se s atomem velmi obtížně pracuje, neboť se nesmírně rychle pohybuje. Pokud se však ze všech stran zaměří laserové paprsky, atom při pohybu postupně ztrácí energii až se takřka zastaví při teplotách blízkých absolutní nule.Ve "fontánových" hodinách či hodinách s vodotryskem, chcete-li, šest laserů nejprve stlačí shluk chlazených césiových atomů do jakési kuličky. Útvar udržovaný ve vznosu se pak lasery protáhne vzhůru, což připomíná prýštící vodní paprsek. Jakmile struktura dosáhne nejvyšší délky kolem jednoho metru lasery se vypnou. Shluk se pak gravitačně propadá dolů přes komoru s mikrovlnným zářením o velice přesně nastaveném kmitočtu.
Při přesném zjišťování kmitočtu se vychází z toho, že atomy vybuzené mikrovlnnou energií začínají kmitat na její frekvenci, přičemž fluoreskují s jasem úměrným počtu vybuzených atomů. Vědci metodou pokus a omyl při nesčetných zkouškách zvolna měnili kmitočet mikrovlnného záření dokud nedosáhli nejvyšší intenzity fluorescence. Nastavili tak frekvenci nejbližší přirozenému kmitočtu atomů césia. Tak fakticky stanovili vteřinu, jednotku času.
"Považujme každý atom césia za jakési malé hodinky, které tiknou devětmiliardkrát za vteřinu. Pokud budeme tiky počítat, můžeme nastavit všechny ostatní hodiny na světě," prohlásil jeden z konstruktérů dosud nejpřesnější časomíry. Definice vteřiny nyní zní: "Doba trvání 9192631770 period elektromagnetického záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu nuklidu césia 133."

Tik-tak v jádrech hmoty

Atomové hodiny slouží mimo jiné ke korekci časových chyb způsobených nerovnoměrnou rychlostí otáčení Země. Vývoj určování času není ostatně po celá staletí ničím jiným než soustavným procesem úprav a dolaďování.

Staré kalendáře založené na lunárním cyklu 29 nebo 30 dnů vedly k nutnosti porůznu manipulovat s přestupným měsícem. Tak například starobabylónský kalendář platící ve třetím tisíciletí před Kristem přidával k 12měsíčnímu roku každým osmým, popřípadě 19. rokem, jeden měsíc navíc.
Později Julius César zavedl rok o 365 dnech s tím, že každý čtvrtý rok, počínaje rokem 45 před Kristem, bude rokem přestupným s jedním dnem navíc. Římský imperátor zřejmě dohlédl jen na konec "svého volebního období", neboť každých 385 let přebývaly tři přestupné roky.
Nepřesný výpočet délky roku v juliánském kalendáři způsobil roční časovou odchylku 11 minut a 14 vteřin, která v 16. století činila už deset dnů. Papež Řehoř XIII. pak s pomocí astronoma zavedl v roce 1582 nový kalendář. Nadbytečných deset dnů vypustil a zavedl přestupný den v každém roce s letopočtem celočíselně dělitelným čtyřmi. Neopomněl, že přestupný rok končící dvěma nulami, včetně letoška, musí být celočíselně dělitelný také 400, aby si mohl připsat den k dobru. Gregoriánský kalendář postupně zdomácněl v západním světě, ale také v Egyptě, v Číně i v Japonsku. Také tomuto kalendáři však cosi schází. Atomové hodiny dokazují, že pokud se vždy po nějakých 18 měsících nepřidá přestupná vteřina, za nějakých deset tisíc let bude v New Yorku vycházet slunce v pravé poledne.
Ukazuje se však, že síly vyvolávající nepravidelnosti v otáčení Země nelze předvídat. Nemá tedy smysl vytvářet jakýkoli systém s přestupnými vteřinami. Obdobně jako u starých kalendářů založených na lunárních cyklech bude třeba přestupné vteřiny zakomponovat do světového času na základě pozorování, nikoli předem daných matematicky podložených schémat. Čas prostě kvačí svým, byť nepravidelným, tempem. Snaha o jeho ještě dokonalejší měření zjevně nebere konce.