Vídeňské jaderné hodiny běží, ale kolísají

Dva týmy 7. října 2026 v časopise Nature představily hodiny, které se za běhu průběžně ladí podle atomového jádra (studie z Vídně, studie z Pekingu). Vídeňský prototyp běžel déle než 24 hodin bez zásahu obsluhy (plný text studie, Pro-Physik). Oboje hodiny jsou zatím výrazně méně stabilní než nejlepší atomové hodiny. Nabízejí ale nový druh měřítka, který by mohl odhalit, zda se základní fyzikální konstanty někdy mění.

Představme si zpěvačku, která drží tón podle ladičky. Když jí hlas ujede, sluchem zachytí rozdíl a opraví ho. Podobně fungují optické atomové hodiny: laser udává rytmus a ladičkou je přechod elektronů atomu mezi energetickými hladinami.

U thoria-229 je ladička ukrytá v jádře atomu. Po ozáření ultrafialovým světlem o vlnové délce blízké 148 nanometrům může jádro přejít mezi dvěma stavy (oznámení PTB). Oba týmy thorium uzavřely do krystalů fluoridu vápenatého, průhledného materiálu, který atomy drží na místě. Když má laser přesně správnou frekvenci, jádra pohltí nepatrnou část procházejícího světla.

Právě toto nepatrné zeslabení světla slouží hodinám jako sluch. Elektronika mírně mění frekvenci laseru na obě strany a detektor sleduje, při které odchylce světlo zeslábne víc. Řídicí systém tak pozná, kterým směrem má frekvenci vrátit ke středu, podobně jako zpěvačka pozná, zda zpívá příliš vysoko, nebo nízko.

V roce 2024 vědci ukázali, že laser dokáže jaderný přechod vůbec vybudit (studie o vybuzení z roku 2024). Novým krokem, o němž jsme psali ve středu (To Brief), je nepřetržitě pracující zpětnovazební smyčka: po celou dobu chodu hodin udržuje jádro laser naladěný.

Dvě laboratoře, dva způsoby, jak stabilizovat laser

Ve Vídni si úlohy rozdělili. Laser nejprve zklidňuje optická dutina, v níž světlo uvězní dvojice protilehlých zrcadel a omezí jeho kolísání. Signál z thoria pak opravuje pomalý posun frekvence, který dutina sama nezachytí (TU Wien). Krystal vypěstovala TU Wien; ultrafialový laser postavil německý metrologický ústav PTB ve spolupráci s berlínským Max Born Institute (výzkumná skupina PTB).

Tým z Pekingu vedený Tsinghua University (Tsinghua) naměřil nižší koeficient nestability než vídeňští vědci. Tento údaj vyjadřuje, jak moc kolísá tempo hodin při krátkém průměrování; čím je nižší, tím lépe. V Pekingu dosáhl hodnoty 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), zatímco ve Vídni činil 3 × 10⁻¹² (plný text studie).

Pekingský tým porovnal také dva krystaly vypěstované odděleně a zjistil, že se jejich frekvence liší jen o 2,8 × 10⁻¹³ v relativním vyjádření (studie z Pekingu). Dvě ladičky vyrobené v různých dílnách by tak vydávaly téměř stejný tón. Je to první známka toho, že jadernou referenci lze opakovaně vytvořit se srovnatelnými výsledky.

Ve srovnání s atomovými hodinami stále výrazně zaostávají

Proti nejlepším hodinám založeným na elektronech kolísají oba prototypy mnohem víc. Hodiny NIST založené na iontu hliníku jsou natolik stabilní, že nestabilita vídeňského prototypu je zhruba 8 600krát vyšší a pekingského asi 1 400krát vyšší (NIST, studie NIST o iontu hliníku).

Ve Vídni narazili také na přetrvávající problém s materiálem. Když vědci změnili místo, kudy laser prochází krystalem, naměřená frekvence se posunula až o zhruba 1,7 kilohertzu. Rozdíl je příliš velký na to, aby ho vysvětlil šum měření; pravděpodobnou příčinou je pnutí a nedokonalosti krystalu (plný text studie z Vídně). Výzkumníci ještě musí ověřit, zda tento posun zmenší kvalitněji vypěstované krystaly a přesnější kontrola dráhy laseru.

Proč pokračovat ve vývoji hodin, které jsou zatím tolik pozadu? Dvoje hodiny založené na odlišných fyzikálních principech mohou při vzájemném srovnání fungovat jako detektor. Vídeňský tým provozoval své hodiny souběžně s hodinami založenými na iontu ytterbia v rakouském metrologickém úřadu BEV. Ty sloužily pouze jako srovnávací měřítko a nebyly zapojeny do regulační smyčky. Podle týmu by při změně základních přírodních konstant jaderný přechod reagoval jinak než přechody využívané hodinami založenými na elektronech (studie z Vídně).

Některé modely temné hmoty předpovídají právě takovou změnu, která by se projevila jako pomalé periodické kolísání. Vídeňský tým ji při srovnání hledal, nic však nepřekročilo mez detekce. Výsledek stanovuje horní hranice možné síly těchto účinků; nejde o jejich objev.

Oficiální sekunda se stále definuje podle atomů cesia a nové prototypy na tom nic nemění (BIPM). Vídeň ukázala, že jádro dokáže udržet laser naladěný celý den, a Peking, že se dva krystaly mohou shodovat s velkou přesností. Přesnější sondu do fyzikálních zákonů teď musí umožnit výrobci krystalů a laserů: jaderný tón musí znít stejně v každém vzorku.