Při teplotě vyšší než 0 K mají všechny atomy a molekuly určitou pohybovou (kinetickou) energii. To znamená, že se pohybují nějakou rychlostí, nějakým směrem. Atom se pohybuje stejnou rychlostí a ve stejném směru, dokud na něj nezačne působit nějaká síla – to je první Newtonův pohybový zákon. Obvyklá událost, která způsobuje změnu rychlosti a/nebo směru atomu, je srážka s jiným atomem či molekulou. Všechny molekuly narážejí na jiné molekuly, takže se celý soubor pohybuje neorganizovaně. Kmitání (například zvukové vlny ve vzduchu) je naopak organizovaný pohyb, na který je potřeba dodatečná energie [1].
Nyní se potřebujeme seznámit se základními poznatky stran struktury atomů, konkrétně jak se elektrony chovají v okolí atomových jader. Každý elektron se nachází v tzv. atomovém orbitalu, který si můžeme představit jako určitý prostor v okolí atomového jádra, ve kterém se elektron nachází s jistou vysokou pravděpodobností. Orbitaly nejsou nic jiného než jakési domečky pro elektrony. A stejně jako domy, i orbitaly označujeme pomocí čísel, jen s tím rozdílem, že u domů těmto číslům říkáme popisná, u orbitalů se jim říká kvantová. Navíc platí, že čím je kvantové číslo daného orbitalu nižší, tím méně energie má elektron v daném orbitalu.
Když na atom posvítíme světlem (proudem fotonů), může dojít k tzv. absorpci, při které elektron pohltí energii fotonu a přeskočí do atomového orbitalu s vyšším kvantovým číslem, například z orbitalu s kvantovým číslem n = 1 přejde do orbitalu s n = 2. Tomuto procesu říkáme elektronová excitace (někdy též přechod). Jelikož různé prvky mají různé hodnoty orbitálních energií, jsou elektronové excitace charakteristické pro daný prvek, a to pro všechny atomy tohoto prvku bez ohledu na to, kde ve vesmíru se nachází [2].
Výše uvedených přechodů elektronů mezi atomovými orbitaly se používá i u atomových hodin. Nejčastěji se setkáme s cesiovými hodinami. U atomu cesia existuje elektronový přechod, kterého je možné docílit pohlcením neboli absorpcí záření (fotonů), pomocí mikrovlnného záření generovaného oscilátorem. Konkrétně má toto záření frekvenci 9 192 631 770 Hz, jedná se tedy o vlnění, které kmitne přesně 9 192 631 770 krát za jednu sekundu. Čili atomové hodiny měří čas tak, že sledují frekvenci elektromagnetického záření, které atomy cesia pohltí při přechodu elektronů mezi dvěma určitými atomovými orbitaly. Když zaznamenáme 9 192 631 770 kmitů tohoto záření (počítáme impulsy vyvinuté oscilátorem), hodiny odbily přesně jednu sekundu [2].
Moderní atomové hodiny umístěné na povrchu Země v kontrolovaných laboratorních podmínkách jsou vysoce přesné s odchylkou zhruba 3 nanosekundy za rok. K odchylce dochází právě například z důvodu srážek atomů cesia mezi sebou. Ale pokud se atomové hodiny začnou pohybovat velkou rychlostí, nebo jsou v jiné nadmořské výšce, začneme u nich pozorovat efekty speciální a obecné relativity [4].
Například hodiny na GPS satelitech se každý den předbíhají o 38 mikrosekund oproti nepohybujícím se hodinám v nadmořské výšce 0 m (ztratí 7 mikrosekund kvůli své rychlosti a získají 45 mikrosekund kvůli nadmořské výšce – slabší gravitační pole). Stejně tak hodiny na povrchu každé planety či jiných vesmírných těles se nám budou jevit, jako by tikaly různou rychlostí. Hodiny na Měsíci budou oproti hodinám na Zemi za jeden den napřed o 56 mikrosekund [5], zatímco na Jupiteru budou pozadu o 315 mikrosekund (odvozeno ze vzorců speciální a obecné teorie relativity).
Ale ve skutečnosti to nejsou ty samotné hodiny, které běží pomaleji nebo rychleji. Jde o to, že my, jako pozorovatelé, na různých místech s ohledem na různý gravitační potenciál a relativní rychlost, vidíme, jak hodiny na jiném místě tikají různou rychlostí. Tento rozdíl je pro lidské vnímání naprosto zanedbatelný, ale například pro přesnou satelitní navigaci kosmických lodí se s gravitačními efekty musí počítat.
Pro Zeptej se vědce odpovídala Helena
Zdroje:
[1] Leland, Thomas W. and G. Ali Mansoori. „Basic Principles of Classical and Statistical Thermodynamics.“ (2002).
[2] Bohr, Niels (1913). On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II, Systems Containing Only a Single Nucleus. Philosophical Magazine 26:476–502.
[3] NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second | NIST
