Vedcom sa po prvýkrát podarilo uviesť do chodu funkčný prototyp jadrových hodín založený na jadre izotopu tória-229. Ak sa technológia podarí dotiahnuť do praxe, môže priniesť presnejšie meranie času, nové overovanie Einsteinovej relativity aj citlivejšie hľadanie fyziky za hranicami dnešných teórií a hypotéz.
Jadrové (nukleárne) hodiny fungujú na podobnom princípe ako bežné atómové hodiny. Namiesto elektrónov v obale atómu však merajú oscilácie samotného atómového jadra. Využívajú pritom presnú frekvenciu prechodu jadra z jedného energetického stavu do druhého. Kľúčovým prvkom býva špecifický izotop, najčastejšie tórium-229, ktorého jadro dokáže absorbovať ultrafialové svetlo s mimoriadne presnou frekvenciou a prejsť do vybudeného (vyššieho) energetického stavu. Keď sa jadro vráti do pôvodného stavu, vyžaruje fotóny. Špeciálny laser upravuje svoju frekvenciu presne podľa tohto prirodzeného "tikania" jadra. Laserový systém následne počíta tieto kmity (frekvenciu), čo presne definuje trvanie sekundy. Základný stav tória-229 má polčas rozpadu 7 932 rokov, zatiaľ čo teraz priamo detegovaný izomér má polčas rozpadu niečo cez 60 sekúnd. Zdroj: Johannes Gutenberg-Universität Mainz/Christoph Düllmann
Keď sa povie najpresnejšie hodiny sveta, väčšina ľudí si predstaví atómové hodiny. Tie už dnes merajú čas s neuveriteľnou presnosťou – odchýlili by sa o sekundu až po miliardách rokov. Vedci však už dlhšie snívajú o ešte stabilnejšom časovom štandarde. Sú ním jadrové hodiny, ktoré by namiesto elektrónov využívali priamo jadro atómu.
Tento sen sa teraz posunul o veľký krok bližšie k realite. Čínsky a rakúsky tím výskumníkov nezávisle od seba po prvýkrát demonštrovali funkčný prototyp jadrových hodín založený na izomérnom stave tória-229 (²²⁹Th). Výsledky boli zverejnené v júni 2026 vo viacerých odborných preprintoch.
Prelom totiž nespočíva len v samotnom meraní. Vedcom sa podarilo stabilne excitovať jadrový prechod v tóriu a použiť ho ako „tikot“ hodín – niečo, čo sa desaťročia považovalo za jednu z najťažších úloh experimentálnej fyziky.
Prečo atómové hodiny nestačia?
Prvé atómové hodiny vznikli v 50. rokoch minulého storočia a využívali cézium. V roku 1967 sa práve céziový prechod stal základom modernej definície sekundy. Nasledovala generácia optických hodín využívajúcich stroncium, yterbium alebo hliníkové ióny, ktoré dnes dosahujú presnosť na úrovni jednej sekundy za desiatky miliárd rokov.
Jadrové hodiny predstavujú ďalší logický krok v tomto vývoji. Mnohí fyzici ich prirovnávajú k prechodu od mechanických hodín k prvým atómovým hodinám v polovici 20. storočia.
Bežné atómové hodiny fungujú tak, že sledujú frekvenciu žiarenia potrebnú na prechod elektrónov medzi dvoma energetickými stavmi. Problém je, že elektróny sú pomerne citlivé na vonkajšie vplyvy – elektrické a magnetické polia, teplotu či vibrácie prostredia.
Pozrite si
Jadrové hodiny idú o úroveň hlbšie. Takzvaným kyvadlom nie sú elektróny, ale protóny a neutróny vnútri samotného jadra atómu, ktoré sú oveľa lepšie chránené pred okolitým ruchom. Teoreticky by mohli preto jadrové hodiny poskytovať stabilnejší a presnejší časový signál než dnešné optické atómové hodiny.
Kľúčom k celej myšlienke je izotop tória-229. Jeho jadro má mimoriadne nízkoenergetický excitovaný stav (tzv. jadrový izomér), čo znamená, že na jeho excitáciu nie sú potrebné urýchľovače častíc ani vysokoenergetické gama lúče. Postačí špeciálny ultrafialový laser. Práve táto jedinečná vlastnosť robí z ²²⁹Th kandidáta na skonštruovanie prvých praktických jadrových hodín už viac než štyri desaťročia.
Komentovaná prezentácia profesora Thorstena Schumma z Technickej univerzity vo Viedni zo septembra 2023 o pokroku vývoja jadrových hodín. Zdroj: YouTube/MoSaiQC MOOC
Ako prebiehal experiment
Výskumníci použili kryštál fluoridu vápenatého obsahujúci ióny tória-229 a osvetľovali ho extrémne presne naladeným ultrafialovým laserom. Cieľom bolo zasiahnuť jadrový prechod s energiou približne 8,4 elektrónvoltu, čo zodpovedá vlnovej dĺžke okolo 148,7 nanometra. Čínsky tím použil výkonnejší laser, zatiaľ čo v Rakúsku pracovali s kryštálom obsahujúcim vyššie koncentrácie jadier tória.
Po prvýkrát sa podarilo tento prechod nielen pozorovať, ale ho aj použiť na stabilizáciu frekvencie lasera, teda na základný princíp fungovania hodín. Inými slovami, jadro tória začalo slúžiť ako referenčný metronóm na meranie času.
Vedci zároveň výrazne spresnili energiu jadrového prechodu a ukázali, že systém možno prevádzkovať opakovane a stabilne. To je dôležité, pretože predchádzajúce pokusy často narážali na príliš slabý signál alebo nepresnú znalosť samotnej frekvencie prechodu.
Experiment čínskeho výskumného tímu. Zdroj: Huang et al. 2026
Experiment rakúskeho výskumného tímu. Zdroj: Toscani de Col et al. 2026
Čo by priniesli jadrové hodiny?
Ak sa technológia podarí dotiahnuť do praktickej podoby, prínosy by mohli byť pozoruhodné. Medzi niekoľké možné využitia patrí:
- presnejšia navigácia a synchronizácia sietí – GPS, telekomunikácie aj finančné systémy závisia od extrémne presného času,
- citlivejšie testy Einsteinovej relativity – lepšie hodiny dokážu merať drobné rozdiely v plynutí času spôsobené gravitáciou.
Atómové hodiny už dnes potvrdzujú Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity s mimoriadnou presnosťou. Dokážu napríklad zmerať rozdiel v plynutí času medzi dvoma hodinami vzdialenými od seba len niekoľko centimetrov vo výške.
Jadrové hodiny by mohli tieto testy posunúť na úplne novú úroveň. Vedci predpokladajú, že ich presnosť by mohla dosiahnuť hranicu, pri ktorej bude možné sledovať gravitačné efekty Zeme s bezprecedentným rozlíšením. V budúcnosti by sa tak mohli využívať aj na geodéziu – meranie tvaru planéty a zmien gravitačného poľa. Takéto merania by mohli pomôcť pri sledovaní pohybu podzemných vôd, zmien ľadovcov alebo tektonických procesov.
- Hľadanie novej fyziky – prechody jadra môžu byť citlivé na možné zmeny základných fyzikálnych konštánt, napríklad jemnej štruktúrnej konštanty α.
Práve posledný bod vzbudzuje medzi fyzikmi veľké nadšenie. Ak by sa v priebehu rokov zistilo, že frekvencia jadrových hodín sa mení spôsobom, ktorý nemožno vysvetliť známou fyzikou, mohlo by to naznačovať existenciu nových častíc alebo interakcií.
Jednou z najzaujímavejších aplikácií budúcich jadrových hodín môže byť hľadanie temnej hmoty. Tá tvorí približne 85 percent všetkej hmoty vo vesmíre, no vedci ju zatiaľ nedokázali priamo pozorovať. Jej existenciu poznáme len z gravitačných účinkov na galaxie a kozmické štruktúry.
Niektoré teoretické modely predpokladajú, že temná hmota by mohla veľmi jemne ovplyvňovať základné fyzikálne konštanty, napríklad jemnoštruktúrnu konštantu α alebo pomer hmotností elementárnych častíc. Zmeny by boli extrémne malé, no dostatočne presné hodiny by ich mohli zachytiť.
Práve jadrové prechody v tóriu-229 patria medzi najcitlivejšie známe fyzikálne systémy na detekciu podobných efektov. Ak by sa frekvencia jadrových hodín menila spôsobom, ktorý nemožno vysvetliť známou fyzikou, mohlo by to byť jedným z prvých nepriamych dôkazov novej formy hmoty vo vesmíre.
Je na stole otázka redefinície sekundy?
V medzinárodnej metrológii už niekoľko rokov prebieha diskusia o prepísaní definície sekundy. Súčasná definícia je založená na céziových atómových hodinách, no optické hodiny ich v presnosti výrazne prekonali.
Očakáva sa preto, že v priebehu nasledujúcej dekády bude sekunda pravdepodobne redefinovaná na základe optických prechodov. Ak sa však jadrové hodiny budú vyvíjať dostatočne rýchlo, môžu sa v dlhodobom horizonte stať ďalšou generáciou časových štandardov.
Hoci je takýto scenár ešte vzdialený, prvé spustenie jadrových hodín naznačuje, že myšlienka, ktorá sa ešte pred niekoľkými rokmi zdala takmer sci-fi, sa začína meniť na reálnu technológiu.
Sú pripravené nahradiť dnešné hodiny?
Odpoveďou je, že zatiaľ nie. Súčasné optické atómové hodiny patria medzi najdokonalejšie experimentálne zariadenia vôbec a ich praktická presnosť je mimoriadne vysoká. Jadrové hodiny sú zatiaľ laboratórnym prototypom, ktorý musí preukázať dlhodobú stabilitu, reprodukovateľnosť a technickú spoľahlivosť.
Vedci však považujú samotné spustenie jadrových hodín za míľnik porovnateľný s prvými optickými hodinami pred niekoľkými desaťročiami. Od základného dôkazu princípu môže viesť ešte dlhá cesta k zariadeniam používaným v navigácii či metrológii, no najťažší krok – ukázať, že jadrový „tikot“ možno reálne využiť na meranie času – sa už podaril.
Ak sa očakávania naplnia, budúce generácie najpresnejších hodín sveta už možno nebudú počítať kmity elektrónov, ale vibrácie samotného jadra atómu. A práve to môže otvoriť novú kapitolu v meraní času aj v skúmaní základných zákonov vesmíru.
Zdroje: arXiv (1, 2), Nature (1, 2), Reviews of Modern Physics, Quark
