Času nikdy nemáme dostatek a každý den se snažíme nějaký ušetřit. Kdo ale měří a definuje čas samotný? Přesný čas je důležitý nejen pro to, abychom stihli autobus, ale potřebují jej také naše počítače a servery.
Historie a princip atomových hodin
Úplně první doopravdy funkční atomové hodiny předvedl světu fyzik Louis Essen. Stalo se tak v roce 1955 v Národní fyzikální laboratoři v britském Teddingtonu. Vynález tehdy způsobil naprostou revoluci v měření času a hlavně otevřel cestu k technologiím, bez kterých si dnes neumíme představit běžný život.
Do roku 1967 byla sekunda určena jako 1/86 400 středního slunečního dne. Pro představu, jeden sluneční den je čas, který uplyne mezi dvěma průchody Slunce jedním poledníkem. Taková definice však nikdy nemohla být úplně přesná, protože rychlost rotace Země ovlivňuje značné množství faktorů. Od roku 1971 se sekunda vytváří pomocí atomových hodin a hovoří se o takzvaném atomovém čase (TAI).
Atomové hodiny fungují na základě kmitání atomů cesia. V atomu cesia, při změně jeho energetického stavu, přeskočí elektron do jiné vrstvy obalu, a tím se uvolní nebo pohltí elektromagnetické záření. Jeho frekvence je přibližně 9,2 GHz a je tak stabilní, že je na něm postavená současná definice základní jednotky času, sekundy. Detektory následně nahlásí, jestli se změnu podařilo vyvolat. Důležité je ladění etalonu, při kterém se vědci snaží dosáhnout toho, aby se změna pokud možno dotkla všech atomů cesia v trubici.
Fungování atomových hodin detailně
- Ve vakuové komoře atomových hodin se vypařují atomy césia.
- Rezonátoru dostanou jen atomy se stavem (+).
- Frekvence fCs a oscilátor Q na frekvenci fCs.
- Na detektor (wolframový drát) se dostávají atomy, které změnily svůj stav.
Stabilita cesiových hodin dosahuje řádu 10-15. Oproti tomu například maximální přesnost odvozeného kilogramu se pohybuje v řádech 10-8. Frekvence a od ní odvozený čas jsou nejpřesněji realizovatelné a měřitelné veličiny a žádnou jinou není možné vytvářet s takovou jistotou. Proto jsou cesiové hodiny, jakkoli přesné, pouhou realizací sekundy a svou naměřenou hodnotou se definici přibližují.
Čtěte také: Ideální délka vodicí lišty pro Husqvarna 450
Využití atomových hodin
Atomové hodiny se využívají mimo jiné k určování tzv. univerzálního koordinovaného času - známého jako UTC, k synchronizaci internetu, ve vysokorychlostních letadlech, ve hvězdárnách nebo třeba v laboratořích.
Atomové hodiny v praxi
- Pomoci mohou třeba s určováním polohy vesmírných plavidel. Jde o poměrně komplikovanou metodu, kdy hodiny počítají, jak dlouho signál ze země na daný objekt a zpět.
- Atomové hodiny jsou také potvrzením Einsteinovy teorie relativity. Z té vyplývá, že čas neběží všem stejně rychle, ale je ovlivněn gravitací a rychlostí, jakou se objekt pohybuje.
- Vysoká přesnost v řádech stovek nanosekund je nutná také při synchronizaci mobilních sítí nové generace. I jejich nastavení je navázané na frekvenci vytvářenou cesiovými hodinami.
Dnes se tato situace řeší tak, že do mezinárodního koordinovaného času se jednou či dvakrát do roka vloží jedna sekunda.
Měření a distribuce času v České republice
O přesný výpočet času se starají odborníci z laboratoře Státního etalonu času a frekvence, kterou provozuje Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR. Už od počátku devadesátých let minulého století se přesný český čas, označovaný jako Tempus Pragense, měří a definuje právě tady. Pražská laboratoř slouží pro centrální správu měření času na našem území. „Idea je taková, že pokud má nějaký ústav nebo instituce k dispozici vlastní cesiové nebo atomové hodiny, naváže je na nás.“ říká Alexander Kuna, vedoucí laboratoře.
Každé atomové hodiny v Česku jsou pod drobnohledem, navázané na státní etalon pomocí optických vláken, satelitních navigačních systémů, například GPS. Laboratoř se tak podílí na tvorbě světového koordinovaného času UTC. Stupnice, kterou zde naměří, se hlásí do Mezinárodního úřadu pro míry a váhy BIPM v Paříži. Alexander Kuna je expert na přesné porovnávání a distribuci času. K tomu laboratoř nepřispívá jen vlastní dvojicí atomových hodin, do výpočtu se nasazují i jiné kvantové etalony po celém Česku. Distribuce přesného času se děje převážně pomocí internetového FTP serveru, který je přímo napojený na cesiové hodiny.
Typy atomových hodin a jejich přesnost
Kromě cesiových hodin se v současnosti používají hodiny rubidiové, které jsou ovšem méně přesné, tvoří takzvané sekundární etalony. Naopak mnohem přesnější než cesium jsou vodíkové masery. Jejich frekvence je však stabilní jen krátkodobě a provoz je výrazně náročnější. V novodobých etalonech najdeme i další prvky, jako je hliník, stroncium nebo ytterbium. Tvoří takzvané optické hodiny, které pracují jen s jedním atomem a využívají záření o frekvenci stovek terahertzů, což je záření, jehož frekvence se nachází v optické oblasti spektra. Proto se jim říká optické hodiny. Tato technologie je ještě o několik řádů přesnější než cesiové hodiny.
Čtěte také: Průvodce optimalizací sklizně s New Holland
Zde je přehled některých typů atomových hodin a jejich přesnosti:
| Typ hodin | Přesnost | Poznámky |
|---|---|---|
| Cesiové atomové hodiny | 10-15 | Základní definice sekundy, vysoká stabilita |
| Rubidiové hodiny | Nižší než cesiové | Sekundární etalony |
| Vodíkové masery | Vyšší než cesiové (krátkodobě) | Náročnější provoz |
| Optické hodiny (hliník, stroncium, ytterbium) | O několik řádů vyšší než cesiové | Pracují s jediným atomem, budoucí generace etalonů |
Synchronizace času pomocí NTP
Naštěstí tu máme prastarý a užitečný protokol NTP (Network Time Protocol), který umožňuje srovnat čas proti atomovým hodinám. NTP je jedním z nejstarších dodnes používaných internetových protokolů. Vznikl na počátku osmdesátých let minulého století a na University of Delaware jej navrhl David L. Mills.
Jak funguje NTP
Protokol NTP využívá UDP portu 123, po kterém se domlouvá s ostatními nakonfigurovanými servery, od kterých získává co možná nejpřesnější čas. Náš ntpd naváže spojení se všemi servery a snaží se změřit zpoždění způsobené sítí a tím co nejlépe odhadnout čas, který ukazují hodiny na těchto serverech.
Pro pochopení a správné použití NTP je třeba také pochopit hierarchický systém serverů. Ten se používá především kvůli rozložení zátěže - přestože se používá úsporný protokol UDP, desítky tisíc uživatelů na jednom serveru už způsobují slušnou zátěž.
NTP servery jsou v internetu rozloženy do takzvaných stratum zón, které se číslují počínaje jedničkou. Číslo pak označuje vzdálenost (tedy počet dalších časových serverů) od referenčního časového ukazatele. Tím obvykle bývá hardwarový GPS přijímač či přímo atomové hodiny. K těmto serverům jsou pak připojeny další počítače, logicky označované jako stratum 2. Jedná se o počítače, které slouží jako časové servery pro další sítě či koncové uživatele. Ti se pak nacházejí v zóně stratum 3 a dále. Jako koncoví uživatelé byste ve své síti nebo na svém lokálním počítači měli používat pro seřizování času servery alespoň stratum 2, abyste zbytečně nevytěžovali přesnější servery ve vyšší úrovni, kterých je logicky výrazně méně. Samozřejmě máte možnost si i ve své síti pořídit stratum 1 server, pokud chcete investovat do hardwarového přijímače přesného času.
Čtěte také: Efektivní správa oken v Adobe Dreamweaveru
Nastavení a kontrola NTP démona
Místo zastaralého programu ntpdate se dnes využívá výhradně démon ntpd, který je velmi mocný a umí spoustu užitečných věcí. Výhodou ntpd je, že jakékoliv úpravy provádí plynule, tedy pomocí zrychlování nebo zpomalování systémových hodin. Konfiguračním souborem je /etc/ntp.conf, do kterého je potřeba po instalaci zapsat servery, které chceme používat. Můžete využít také služeb takzvaného pool serveru, který automaticky volí ze serverů nejblíže ve vašem okolí.
Stav běžícího serveru je možné zkontrolovat pomocí programu ntpq. Plus u každého serveru značí, že je tento server používán a váš systém s ním vede komunikaci (neboli že vše funguje jak má). Hvězdička pak označuje primární server, tedy server s nejlepšími parametry, který je považován za referenční. Položky delay, offset a jitter jsou v milisekundách a vztahují se přímo k měření času. Z praktického hlediska je pro kontrolu důležité, že servery mají před sebou znaménko plus a jeden je označen hvězdičkou a že poslední tři hodnoty v tabulce jsou dostatečně nízké.
tags: #co #je #atomovy #cas #na #listu