Gdy mówimy, iż coś jest „dokładne co do sekundy”, zwykle mamy na myśli całkiem precyzyjny pomiar. Ale naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) podnieśli poprzeczkę tak wysoko, iż ta metaforyczna sekunda może się wydawać wręcz wiecznością.
Ich nowy zegar atomowy, należący do najnowszej generacji optycznych zegarów atomowych, zbudowany w oparciu o pojedynczy jon aluminium, osiągnął niesamowitą precyzję rzędu 19 miejsc po przecinku. Mówimy tu o zegarze, który mógłby chodzić przez kilka miliardów lat i nie pomylić się ani o sekundę.
Oprócz najwyższej na świecie dokładności, o 41 proc. wyższej niż poprzedni rekord, ten nowy zegar jest również 2,6 razy bardziej stabilny niż jakikolwiek inny zegar jonowy. To nie jest tylko naukowy popis. Ta technologia może zmienić sposób, w jaki mierzymy czas, badając Ziemię, testując prawa fizyki, a choćby kwestionując podstawowe założenia naszego wszechświata.
Stabilność i dokładność. Oto najlepszy zegar świata
W centrum tego osiągnięcia znajduje się aluminium.
Jon glinu (aluminium) jest wyjątkowo dobrym zegarem, charakteryzującym się niezwykle stabilnym, wysokim rytmem „tykania”. Jego tykanie jest bardziej stabilne niż tykanie cezu, który stanowi obecną naukową definicję sekundy. Jon glinu nie jest również tak wrażliwy na niektóre warunki środowiskowe, takie jak temperatura i pola magnetyczne – powiedział Mason Marshall, badacz z NIST i pierwszy autor artykułu z wynikiem badań.
(Od lewej do prawej) Mason Marshall, David Hume, Willa Arthur-Dworschack i Daniel Rodriguez Castillo stoją przed aluminiowym zegarem jonowym w NIST. Dzięki niedawnym udoskonaleniom zegar może utorować drogę kampanii mającej na celu redefinicję sekundy, a także zgłębienie nowych idei w fizyce. Fot.: R. Jacobson/NISTProblem? Aluminium jest trudne do „oswojenia”. Nie da się go łatwo schładzać ani kontrolować dzięki laserów, a bez tego precyzyjny zegar nie ma racji bytu. Rozwiązaniem okazał się duet. Naukowcy sparowali jon aluminium z jonem magnezu, który przejmuje obowiązki związane z chłodzeniem.
Magnez nie ma tak pięknych adekwatności tykania jak aluminium, ale można go łatwo kontrolować dzięki laserów. Ten „system partnerski” dla jonów nazywa się spektroskopią logiki kwantowej. Jon magnezu chłodzi jon glinu, spowalniając go.
Dwie dekady ciężkiej pracy
Za tym sukcesem stoi 20 lat pracy nad każdym detalem: od laserów, przez pułapki jonowe, po komory próżniowe. To duże, złożone wyzwanie, ponieważ każda część konstrukcji zegara ma wpływ na sam zegar. Jednym z większych wyzwań była tzw. nadmiarowa mikroruchliwość, czyli mikroskopijne drgania jonów powodujące przekłamania.
Inżynierowie musieli przeprojektować pułapkę jonową, zmieniając m.in. materiał podstawy na grubszy plaster diamentu i modyfikując elektrody. Dzięki temu udało się wydłużyć czas pomiaru z 150 milisekund do pełnej sekundy, co w świecie precyzji robi gigantyczną różnicę.
Więcej na temat czasu w Spider’s Web:
Po co komu zegar z 19 miejscami po przecinku?
Zegary atomowe to nie tylko technologiczna ciekawostka. Ich zastosowania są niezwykle szerokie i coraz bardziej praktyczne. Dzięki takiej precyzji można mierzyć zmiany w polu grawitacyjnym Ziemi, tworzyć dokładniejsze mapy geodezyjne, a choćby badać czy fundamentalne prawa fizyki, jak stałe Plancka czy prędkość światła, są rzeczywiście stałe, czy może z czasem się zmieniają.
Ale ten zegar to także ogromna wartość dla rozwoju technologii kwantowych. Jako platforma testowa pozwala naukowcom eksperymentować z nowymi typami zegarów np. takimi, które będą używać splątania kwantowego, by jeszcze bardziej zwiększyć dokładność. To już nie tylko pomiar czasu, to wejście w zupełnie nowy wymiar fizyki.
Nowa definicja sekundy na horyzoncie?
Przez lata podstawą jednostki czasu był cezowy zegar atomowy. Ale czasy się zmieniają, dosłownie, i w przenośni. Coraz więcej wskazuje na to, iż w nadchodzących latach świat może przejść na nową definicję sekundy, opartą właśnie na zegarach, takich jak ten z aluminium.
Publikacja zespołu NIST w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters to nie tylko dowód naukowej rzetelności, ale też kamień milowy w międzynarodowym wyścigu o najdokładniejsze odmierzanie czasu w historii ludzkości. Bo kiedy zegar potrafi mierzyć czas z dokładnością do 0,0000000000000000001 sekundy, zaczynamy patrzeć na upływ czasu w zupełnie nowym świetle.
Główna ilustracja: Fizyk z NIST, David Hume, trzyma nowo zmodyfikowaną pułapkę jonową dla zegara jonów glinu. Fot.: R. Jacobson/NIST
