Vrijeme: savija se i iskrivljuje, čini se da se ubrzava ili usporava, ovisno o vašoj poziciji ili percepciji. Precizno mjerenje vremena jedan je od najosnovnijih zadataka u fizici – može nam pomoći u slijetanju na Mars ili čak promatranju tamne tvari.
Prema pisanju Science Alerta, sada su fizičari iz Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) u SAD-u i Sveučilišta Delaware razvili najtočniji i najprecizniji atomski sat dosad, koristeći ‘mrežu’ svjetla za hvatanje i uzbuđivanje difuznog oblaka hladnih atoma stroncija.
Revolucionarna točnost
“Ovaj sat je toliko precizan da može detektirati male učinke predviđene teorijama kao što je opća relativnost, čak i na mikroskopskoj razini,” kaže Jun Ye, fizičar u Zajedničkom institutu za laboratorijsku astrofiziku (JILA) NIST-a na Sveučilištu Colorado. “Pomicanje granica mogućeg u mjerenju vremena.”
S ukupnom sustavnom točnošću od 8,1 x 10^-19, stroncijev sat je dvostruko točniji i precizniji od prethodnog rekordera.
NIST je mjesto gdje istraživači usavršavaju tehnologije kako bi povećali točnost globalnih standardnih mjerenja, poput međunarodne jedinice vremena – sekunde.
Dok se čvrsti blok materijala može koristiti za predstavljanje jedinice mase, vrijeme nema postojano fizičko svojstvo kojem se možemo vratiti za konzistentno mjerenje. Oslanjamo se na obrasce koji se ponavljaju na pouzdane načine, poput Zemljine rotacije, ljuljanja njihala ili zujanja elektrificiranog komada kvarca.
Iako su predvidljivi, čak se i Zemljina rotacija usporava i ubrzava u intervalima. Pronalaženje obrazaca u prirodi koji se mogu mjeriti na načine koji variraju u najmanjoj mogućoj mjeri dovelo bi do sve točnijih mjerenja vremena.
Atomski satovi i redefinicija sekunde
Jedan takav obrazac je podrhtavanje uzbuđenih elektrona oko atoma. Standardna sekunda, primjerice, definira se ‘skakanjem‘ specifičnih elektrona koji kruže oko atoma cezija. Uzbuđeni mikrovalovima određene frekvencije, elektroni se pokreću u više energetske razine i vraćaju nazad 9.192.631.770 puta u sekundi.
Prvi put razvijen 1955. godine i stalno poboljšavan, današnji najbolji cezijevi atomski satovi drže vrijeme unutar jedne tri stotinke milijuninke sekunde godišnje. Vaš ručni sat, u usporedbi, gubi ili dobiva oko 180 sekundi (ili 3 minute) godišnje.
Brzi napredak tehnologije
Međutim, znanstvenici mjerenja razmatraju redefiniranje sekunde u sljedećem desetljeću zbog brzog napretka tehnologije atomskih satova. U posljednja dva desetljeća, atomski satovi koji uzbuđuju atome ili ione kraćim valnim duljinama svjetla od mikrovalova izbili su u prvi plan, postavljajući rekorde za stabilnost i točnost.
Ovaj novi atomski sat, razvijen od strane JILA fizičara Alexandera Aepplija i kolega, predstavlja veliki napredak u odnosu na prethodni najbolji optički rešetkasti sat, koji su Ye i drugi JILA kolege pomogli razviti 2019. godine.
“Postavlja točnost kao mjerilo svih optičkih satova do sada,” pišu Aeppli, Ye i kolege u svom preprintu, opisujući novi sat.
Inovativni dizajn
U svojoj jednodimenzionalnoj ‘mreži‘ laserskog svjetla, sat hvata desetke tisuća atoma stroncija, pružajući višu razinu preciznosti. Plitka mreža svjetla, koja djeluje u ultravisokom vakuumu na tankom sloju super-hladnih atoma stroncija, također minimizira pogreške smanjujući destabilizirajuće učinke lasera i atoma koji se sudaraju.
S ovom preciznošću koja podupire svoju točnost, očekuje se da će sat izgubiti samo jednu sekundu svakih 30 milijardi godina – što bi moglo pomoći svemirskim putnicima da drže vrijeme na velikim udaljenostima.
“Ako želimo sletjeti svemirsku letjelicu na Mars s preciznošću, trebamo satove koji su redove veličine precizniji od onih koje imamo danas u GPS-u,” kaže Ye. “Ovaj novi sat je veliki korak prema ostvarenju tog cilja.”
Otkrića tamne tvari i relativnosti
Sve precizniji satovi također bi mogli registrirati male devijacije u oscilacijama atoma, što bi moglo signalizirati slabu interakciju s tamnom tvari ili relativistički privlačnu silu gravitacije.
“Svaki napredak u stabilnosti i točnosti otvara nove sfere istraživanja, kao što je postavljanje granica na tamnu tvar [ili] ispitivanje opće relativnosti,” pišu istraživači.
Međutim, možda postoje i drugi načini za dosezanje tih novih granica, osim optičkih atomskih satova. Istraživači također eksperimentiraju s korištenjem kvantne spregnutosti za mjerenje vremena i uzbuđivanjem atomskih jezgri, a ne cijelih atoma, laserima, što bi moglo stvoriti stabilnije uređaje za mjerenje vremena.
Istraživanje je objavljeno na otvorenom serveru arXiv, prije objavljivanja u časopisu Physical Review Letters, recenziranom časopisu.
