Student World

Fyzikové v současné době prověřují obě teorie relativity v sérii několika vesmírných pozorování a měření. První série pokusů, které mají opětovně a s větší přesností testovat speciální teorii relativity, proběhnou na Mezinárodní kosmické stanici (ISS). Vlastním předmětem experimentu je různé plynutí času pro různé pozorovatele. Měření bude realizováno nesmírně přesnými hodinami.

Speciální teorie relativity poukazuje na zpomalování všech dějů v silném gravitačním poli a také při vysokých rychlostech. Tento jev se označuje jako „dilatace času“. O dilataci času byly popsány již hory papíru, proslulým se stal především paradox dvojčat, z nichž jedno zůstává na Zemi, zatímco druhé se vydá ke hvězdám a pak zase zpět.
Speciální teorie relativity vznikla v důsledku přesnějšího rozvoje měření na konci 19. století. Od té doby, byť se na začátku zdála příliš kontroverzní a neskutečná, byla i nesčetněkrát experimentálně potvrzena. Současné mnohem sofistifikovanější výpočty ovšem naznačují, že pokud do modelu vnímání času zahrneme ještě gravitaci a určité poznatky z kvantové fyziky, nemusela by Einsteinova teorie relativity vždy přesně platit. Aby vědci tyto domněnky dokázali či vyvrátili, hodlají teorii znovu důkladně prověřit, a to pomocí nejpřesnějších přístrojů k měření času, které jim současné nové technologie umožňují zkonstruovat. Další vylepšení spočívá v tom, že měření neproběhne na Zemi, jak tomu bylo v minulosti, ale přímo ve vesmíru, konkrétně na palubě Mezinárodní kosmické stanice (ISS), kde bude umístěno několik druhů mimořádně přesných hodin.

Jeden z druhů těchto hodin, vyvinutých speciálně pro tento experiment, využívá například maser, zařízení v principu podobném laseru, které ovšem nepracuje se světlem, ale s mikrovlnným zářením určité frekvence. Nejpřesnější měření času atomovými hodinami využívá jevů, k nimž dochází při rozpadu izotopů cesia. Vědci při jejich konstrukci vycházejí ze skutečnosti, že atomy mění svůj energetický náboj, pokud jsou vystaveny působení radiace o určité frekvenci. U cesia tvoří jádro a vnější elektron malé magnetické pole. Spin elektronu a jádra může být paralelní (magnetická pole se odpuzují), nebo antiparalelní (magnetická pole se přitahují). Právě tento vztah mezi dvěma poli (odborně nazývaný hyperjemná tranzice) určuje vteřinu. Na mikrovlnných délkách má jejich frekvence hodnotu 9 192 631 770 hertzů, což znamená 9 192 631 770 oscilací v atomu cesia.
Hyperjemná tranzice je základem atomových hodin, které ve zdokonalené podobě prověří teorii Alberta Einsteina. Protože se tyto přístroje budou nacházet na palubě ISS, tedy v podmínkách takřka zanedbatelné gravitace, měření bude daleko přesnější než v dosud provedených experimentech na Zemi. Střízlivě uvažující fyzikové nepochybují o tom, že mnohokrát prověřená teorie se experimentálně potvrdí i tentokrát. Kdyby ovšem výsledky ukázaly nepatrné odchylky od údajů získaných na Zemi, Einsteinova speciální teorie relativity, jeden z korunovačních klenotů moderní fyziky a kosmologie, by se zřejmě začala poněkud viklat.

Popisované fyzikální experimenty jsou zahrnuty do programu Space Time a budou za režie americké NASA – přesněji řečeno sekce nazvané NASA‘s Fundamental Physics Program – probíhat i v dalších letech. Jejich úkolem bude prověřovat nejen správnost teorie relativity, ale snad i teorii superstrun.
Nejambicióznější součástí výzkumu bude instalace cesiových hodin nejnovější generace, označovaných jako PARCS, na ISS. Ta proběhne v roce 2004 nebo 2005. Na zhotovení extrémně přesného měřiče času se podílí vedle NASA ještě několik vědeckých institucí, např. National Institute of Standards and Technology (NIST) a University of Colorado.
Přístroj se skládá ze dvou základních komponent: mikrovlnného oscilátoru na pracujícího na základě hydrogenního maseru a z takzvaného „frequency checker“, jehož součástí jsou atomy cesia, podchlazené na teplotu blížící se absolutní nule. Takto nízká teplota totiž umožňuje velmi přesně snímat výše popsané hyperjemné tranzice. Astronomové předpokládají, že půjde o nejstabilnější a nejpřesnější chronometr, jaký byl dosud člověkem vyroben. Tyto „hodiny“ se rozejdou s ideálním časem o jednu sekundu za 300 milionů let. Díky fantastické přesnosti, které dosáhnou, se počítá tím, že PARC nově prověří správnost nejen speciální, ale i obecné teorie relativity.
Zároveň s tím projekt připraví půdu pro další generaci ještě přesnějšího měřiče času, označovaného jako RACE. Tento přístroj se podle současného plánu bude na ISS umisťovat v roce 2006 a jeho přesnost bude ještě o několik řádů vyšší (odchylka od ideálního času bude maximálně 1 sekunda za 1 miliardu let). Namísto izotopů cesia bude využívat atomů extrémně ochlazených rubidia a vylepšeného supravodivého mikrovlnného oscilátoru (Super Conducting Microwave Oscillator – SUMO). Umístí-li se několik těchto přístrojů na různá místa na ISS, bude možno ledovat, zda rychlost mikrovln (šířících se rychlostí světla) je shodná pro všechny pozorovatele, nezávisle na jejich umístění a vektoru rychlosti. Díky technologii RACE bude experiment prověřovat Einsteinovu speciální teorii relativity s milionkrát větší přesností, než tomu bylo dosud.
Oba technologicky náročné projekty, PARC a RACE, nemají ovšem za úkol jen prověřovat fyzikální teorie, ale slouží i pro prozaičtější účely. Například k testování a zdokonalovaní GPS (Global Positioning Systém) a možností satelitní telekomunikace. Každý, kdo již dnes se Spojených státech používá k navigaci GPS, je odkázán na službu 24 satelitů, z nichž čtyři jsou opatřeny atomovými hodinami (zatím „pouze“ s odchylkou 1 sekunda za 32 tisíc let). Se zvyšující se přesností satelitních měřičů času se bude v příštích letech zvyšovat i samotná přesnost lokalizace a navigace na povrchu Země.

Více informací:
On-line text Einsteinovy knihy „Relativity: The Special and General Theory“
(http://www.bartleby.com/173/ )

Sajt věnovaný Einsteinovu životu a dílu
(http://www.pbs.org/wgbh/nova/einstein/relativity/)

Rozcestník výukových programů ke speciální teorii relativity
(http://archive.ncsa.uiuc.edu/Cyberia/NumRel/NumRelHome.html)

Průvodce teoriemi relativity
(http://www.astronomynotes.com/relativity/s1.htm)

Vývoj lidského chápání času
(http://www.hartwick.edu/physics/spacetime.html)

Podrobnosti o probíhajícím experimentu na ISS
(http://nasaexplores.com/lessons/02-060/9-12_index.html)

FAQ
(http://www.boulder.nist.gov/timefreq/general/faq.htm)

The "Atomic Age" of Time Standards
(http://physics.nist.gov/GenInt/Time/atomic.html)

Stránka věnovaná přesným atomovým hodinám
(http://science.nasa.gov/headlines/y2002/08apr_atomicclock.htm)

Fundamental Physic of Space:
PARC (http://funphysics.jpl.nasa.gov/technical/lcap/parcs.html),
RACE (http://funphysics.jpl.nasa.gov/technical/lcap/race.html)

autor Jan Kapoun