Jak jsme si řekli už v článku vydaném předevčírem, v rámci nákladní mise CRS-32 doveze nákladní kosmická loď Dragon 2 na Mezinárodní kosmickou stanici také evropský experiment ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Dnes se proto na tohle zajímavé zařízení, které bude usazeno na vnějším plášti evropského modulu Columbus, podíváme podrobněji. Vytvořením „sítě hodin“ má ACES propojit své vlastní nástroje pro vysoce přesné měření času s nejpřesnějšími hodinami na Zemi, aby bylo možné jejich údaje porovnávat za účelem měření plynutí času.
Zdroj: https://www.esa.int/
Podle Einsteinovy obecné relativity, gravitace ovlivňuje plynutí času. Experimenty provedené na Zemi ukázaly, že ve větších výškách (třeba na vrcholcích hor) plyne čas rychleji než na hladině moře. ACES posune tento experiment doslova do nových výšin. Extrémně přesné měření času totiž bude probíhat i na Mezinárodní kosmické stanici, která krouží 400 kilometrů nad Zemí. Data, která ACES nasbírá, poskytnou vědcům nové pohledy na vztahy mezi gravitací a časem, čímž posunou jejich chápání základních zákonů fyziky.
Abychom byli přesní, ACES tvoří hned dvojice špičkových hodin – PHARAO (Projet d’Horloge Atomique à Refroidissement d’Atomes en Orbite) a SHM (Space Hydrogen Maser). PHARAO jsou cesiové atomové hodiny vyvinuté Francouskou kosmickou agenturou CNES. Tyto hodiny využívají lasery k ochlazení atomů cesia na teploty blízké absolutní nule (okolo -273°C), čímž umožňují extrémně přesná měření času a frekvence. Na Zemi mívají cesiové atomové hodiny (též cesiová fontána) na výšku 2 – 3 metry, aby poskytly dostatek prostoru atomům cesia, které jsou vystřeleny vzhůru a interagují s mikrovlnným polem hodin, než dopadnou zpět vlivem gravitace. V podmínkách volného pádu na ISS mohou být cesiové atomy vypouštěny pomaleji a na kratší vzdálenost a přitom budou mít dostatek času k interakci. To umožnilo razantně snížit rozměry systému PHARAO při zachování vysoké stability.
Zdroj: https://www.esa.int/
SHM je aktivní vodíkový maser, tedy zařízení, které využívá k určování času atomy vodíku. SHM vznikl ve Švýcarsku, ve firmě Safran Time Technologies. V těchto hodinách se používá vodík jako atomová frekvenční reference a jejich provoz připomíná pasivní masery, které najdeme na družicích Galileo. Rozdíl je v tom, že SHM je desetkrát stabilnější.
ACES určí čas kombinací excelentní stability SHM po dobu jedné hodiny s dlouhodobou stabilitou a přesností PHARAO. Společně tyto hodiny poskytnou měření času s přesností zhruba jedné odchýlené sekundy za 300 milionů let! Po dosažení Mezinárodní kosmické stanice se přístroje ACES ujme robotická paže a usadí jej na modul Columbus, kde bude 30 měsíců sbírat svá data. ACES by měl zaznamenávat data z nejméně deseti období, z nichž každé potrvá 25 dní. Experiment bude řízen z Evropy prostřednictvím centra CADMOS v Toulouse a řídícího střediska modulu Columbus, které se nachází nedaleko německého Mnichova.
Signál s měřením času od ACES bude přenesen k síti pozemských hodin dvojicí časových a frekvenčních spojení – mikrovlnnou linkou (MWL), která pracuje na mikrovlnných frekvencích a optickým spojením ELT (European Laser Timing). Pozemní terminály MWL v kontinentální Evropě, Velké Británii, USA a Japonsku budou komunikovat s ACES a vyměňovat si časové informace s kompenzací vlivu atmosféry a náročných podmínek ve vesmíru.
Pozemní laserové stanice pro měření vzdáleností družic (například observatoř v bavorském Wettzellu) spojené se sítí atomových hodin se budou také podílet na experimentu ACES prostřednictvím ELT. Jejich antény budou směrem k ISS pálit laserové pulsy a přijímat jejich vracející se „ozvěny“, které budou po časovém označení v ACES a pozemním čase použity k měření desynchronizace mezi vesmírem a Zemí. Věda, kterou ACES umožní, je skutečně mezioborová. Porovnáním hodin v kosmickém prostoru a na Zemi ACES poskytne vědcům přesná měření k otestování Einsteinových účinků gravitační dilatace času, dále pátrání po časových variacích fundamentálních fyzikálních konstant, ale i pátrání po temné hmotě.
Zdroj: https://www.esa.int/
Globální síť pozemských hodin propojených přes ACES také vědcům umožní měřit geopotenciálové rozdíly napříč kontinenty, provádět experimenty se synchronizací hodin, či globálně distribuovat časové škály. Optické hodiny dosáhly zlomkové frekvenční stability a přesnosti jedna ku 1018, čímž překonaly o dva řády mikrovlnné hodiny. ACES propojí nejlepší optické hodiny napříč kontinenty a porovná je s přesností jedna ku 1017, což je úroveň přesnosti, jaké současné družicové systémy nemohou dosáhnout. „Jsme nadšeni možnostmi, které síť hodin vytvořená ACES přinese pro základní fyzikální výzkum, geodetické aplikace a globální měření času,“ zmiňuje Luigi Cacciapuoti, vědec z ESA zapojené do projektu ACES a dodává: „ACES dnes reaguje na naléhavou potřebu vědecké komunity a jistě bude hrát klíčovou roli při prosazování nové definice standardní jednotky času – tzv. sekundy SI – ve smyslu optického frekvenčního standardu.“
Celý ambiciózní projekt začal před více než třiceti lety, což svědčí o velmi složité povaze technologie pro ACES. Design PHARAO, který má nyní rozměry menší ledničky, je založen na atomových hodinách, které zaplňují celou místnost na Pařížské hvězdárně. V těchto letech byl systém ACES objevitelskou výpravou, protože inženýři tvrdě pracovali na vytvoření neuvěřitelně přesného měřicího systému. „ACES je vysoce citlivý systém tvořený složitými a vzájemně propojenými subsystémy, které musí harmonicky spolupracovat,“ vysvětluje Thomas Peignier, hlavní inženýr systému ACES a dodává: „Tým čelil celé řadě výzev a musel najít chytrá řešení. Kupříkladu, aby hodiny nebyly poškozeny vystavením magnetickému poli, jsme provedli magnetické průzkumy předtím, než jsme ACES kamkoliv přesunuli. Během zkoušek jsme používali speciální vybavení a všechny nástroje i elektrická zařízení a kovové díly včetně poslední matičky a šroubku byly měřeny a v případě potřeby demagnetizovány, než se mohly k ACES přiblížit. Jedná se o vysoce přesnou práci pro vysoce přesné zařízení.“
Zdroj: https://www.esa.int/
ACES byl kompletně sestaven ve firmě Airbus v německém Friedrichshafenu, kde v roce 2024 podstoupil zevrubné zkoušky. V březnu 2025 přístroj opustil Evropu a zamířil na Floridu, konkrétně na Kennedyho středisko, kde inženýři z ESA, Airbusu i NASA dokončili kriticky důležité přípravné činnosti v čisté místnosti na Space Station Processing Facility. Dokončený vědecký přístroj má odstartovat 21. dubna při zásobovací misi CRS-32.
Přeloženo z:
https://www.esa.int/
Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/images/2024/06/aces_atomic_clock_ensemble_in_space/26157381-1-eng-GB/ACES_Atomic_Clock_Ensemble_in_Space.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/aces_pharao_clock/26415386-1-eng-GB/ACES_PHARAO_clock.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/aces_shm_clock/26415837-1-eng-GB/ACES_SHM_clock.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/aces_on_columbus/26415884-1-eng-GB/ACES_on_Columbus.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/the_parts_of_aces/26415931-3-eng-GB/The_parts_of_ACES.png
Do každé rodiny atomové hodiny!
Popsat maser jakožto „zařízení na určování času pomocí vodíku“ mi tedy přišlo hodně zvláštní. Maser není nic jiného než mikrovlnný laser – a popsat laser těmito slovy by napadlo z laiků asi málokoho. A přesto je to svým způsobem pravda 🙂 Ano, není to původní účel toho zařízení, ale dá se tak opravdu použít. Vysílané záření má totiž natolik přesnou a stálou frekvenci, že se dá použít na určování času. Pak se jedná o jeden z typů atomových hodin. A jedna z konstrukcí maseru používá jako médium vodík. Takže ano, dá se tak použít, jen ten shrnující superzkrácený popis vyvolává už dost jiné asociace, tak jsem to chtěl tímto komentářem upřesnit.
Zajímá mě, jestli nevíte více podrobností o tomto experimentu, resp. jeho potřebě. V souvislosti s tím hledáním o maseru jsem totiž také našel, že se už dříve přímo použil ke stejnému účelu: ověření teorie relativity. Bylo to na družici Gravity Probe A v roce 1976. Družice Gravity Probe B pak pokračovala experimenty pomocí setrvačníků (2004-2010) a potvrdila jak vliv družice obíhající Zemi, tak dokonce i mnohem slabší efekt rozdílu velikosti gravitačního pole Země tím, že Země také rotuje (Lenseho-Thirringův efekt).
Chápu, že současný experiment chce měřit přímo efekt dilatace času, ale z pohledu fyzika je to jen jiný efekt téže teorie, která byla výše zmíněnými experimenty právě ověřena. Tak mi to nějak neladí a volám: „Pane Škorpíku, pomoc!“ 🙂
Dobrý den.
To přijde na to, co chápeme ověřováním vědecké teorie. Víme, že teorie je ve vědě popis určitého aspektu světa, který je dostatečně ověřený. Ovšem současně taky víme, že na rozdíl od matematiky (i tam je to trochu složitější, ale to teď nechme stranou) nelze v přírodních vědách nikdy nic ověřit na 100 %, aby to byl naprosto nezpochybnitelný fakt. Mohlo by se třeba ukázat, že teorie relativity neplatí, byť je to velmi nepravděpodobné a nevsadil bych na to ani 1 haléř.
Taky se často říká, že teorii nelze ověřit, ale jen vyvrátit. A je to v principu pravda, ale nebudeme teď tady slovíčkařit, takže slovo ověřit budu používat i dále.
Obecně ale má smysl teorie ověřovat experimenty pořád znovu a znovu. Už třeba jen proto, že danou teorii můžeme ověřit na novém místě nezávislým experimentem, nebo dokonce úplně novým typem experimentu, což jí pak dodává na vážnosti.
Typickým příkladem je právě obecná relatviita, která už byla ověřena mnoha různými způsoby, popřípadě Bellovy nerovnosti, kde se ty experimenty pořád zpřesňují, zlepšují a dělají se nové typy experimentů. Takže se pak ukazuje, že daný jev nebo teorie jsou opravdu dobré, protože se vždycky ukáže, že dané teorie jsou s nimi v souladu.
Nebo se občas i stává, že se nějaký jev ověřuje díky novým experimentům stále přesněji a přesněji, což dokonce může vést k objevu nových věcí. Opět Bellovy nerovnosti se ověřují pořád přesněji, dále například kvantová elektrodynamika nebo zase některé relativistické efekty, zejména princip ekvivalence. Jsou hypotézy, které předpovídají, že podle jejich výkladu fyziky se třeba na 16 desetinném místě bude jejich hodnota lišit od relativistické o nějaký drobný kousek, což by pak mohlo ukázat, že daná hypotéza má naději.
Pokud jde přímo o experimenty, které zmiňujete, pak Gravity Probe A byla velkým úspěchem, naopak Gravity Probe B byla zklamáním a nepřinesla zdaleka tak dobré výsledky, jak se očekávalo. Měření některých relativistických efektů bylo jen velmi přibližné a dokonce se ukázalo, že na plánovanou citlivost sonda ani v principu nemůže dosáhnout. Což dodnes negativně ovlivňuje tento typ experimentů v kosmonautice, jakož i reltivistickou fyziku na Stanfordu, kde tuto sondu vymysleli.
Naopak existují jiné experimenty, které efekty relativity prověřily velmi dobře. Napříkld mě napadá Hafeleův-Keatingův experiment, kdy také použili atomové hodiny s nimiž dvakrát obletěli v letadlech Zemi a měřili právě dilataci času. Byl to poměrně levný experiment a navíc s velmi dobrými výsledky.
Říkám tedy, že další experimenty měřící efekty teorie relativity mají smysl, protože každý další experiment může ověřit teorii v trochu jiné situaci a nezávislá ověření jsou skvělá. Zároveň však souhlasím s vaším závěrem, že obecná relativita už je ověřená a dokonce ověřená velmi dobře a důkladně. A to dokonce už pomocí velmi podobných experimentů.
Je ale třeba to brát tak, že pro čtenáře je na tom potřeba najít něco zajímavého, takže napsat, že jde o ověřování teorie relativity je dobrý způsob jak lidi zaujmout. Když napíšete, že jde o experiment, který ověří teorii relativity, tak je to více chytlavé, než když napíšete, že jde o experiment, který bude měřit už několikrát ověřený relativistický jev, který byl potvrzen na mnoha desetinných míst mnoha experimenty. Což by bylo přesnější.
Nevím, jestli jsme úplně správně pojal tuto odpověď a pochytil podstatu toho, na co jste se ptal. Kdyžtak se doptávejte, budu tuto diskuzi sledovat.
Děkuji za obsáhlou odpověď. Mě ve zkratce zajímalo, jestli jde o opětovné a např. v nějakém ohledu přesnější ověření téhož (tj. teorie relativity) nebo je v tom nějaký háček, kterého jsem si nevšiml, že by to mně neznámým způsobem byly nezávislé jevy, které by bylo potřeba ověřit zvlášť. To mi vrtalo hlavou a na to jste mi odpověděl, moc díky.
S tím průšvihem o Gravity Probe B jste mě překvapil, já myslel, že to zachránili tím novým pracováním dat s lepším odstraněním šumu.