Νέος τύπος ρολογιού που κρατά την ώρα ζυγίζοντας άτομα
Ένα Rolex είναι ωραίο, αλλά αυτό είναι ένα πραγματικά κομψό ρολόι. Ένας νέος τύπος ρολογιού κρατά τον χρόνο ζυγίζοντας τα μικρότερα κομμάτια της ύλης, αναφέρουν οι φυσικοί. Σε σύγκριση με τα τυπικά ατομικά ρολόγια, τα οποία λειτουργούν διαφορετικά, το νέο ρολόι κρατά άθλιο χρόνο. Ωστόσο, συνδέοντας τη μάζα και το χρόνο η τεχνική θα μπορούσε να οδηγήσει σε έναν κβαντομηχανικό επαναπροσδιορισμό του κιλού.
«Αυτό το υπέροχο πείραμα δείχνει ότι ο δρόμος για τον επαναπροσδιορισμό του κιλού ανοίγει», λέει ο John Hall, φυσικός στο JILA, ένα εργαστήριο που λειτουργεί από κοινού από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder, και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας.
Ένα τυπικό ατομικό ρολόι εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι ένα άτομο μπορεί να απορροφήσει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όπως το φως σε ορισμένες συχνότητες καθώς η εσωτερική του δομή μεταπηδά από τη μια «κβαντική κατάσταση» στην άλλη. Το ρολόι ουσιαστικά εκθέτει τα άτομα σε ακτινοβολία συντονισμένη σε μια τέτοια συχνότητα, η οποία στη συνέχεια χρησιμεύει ως το χτύπημα του ρολογιού. Τα ατομικά ρολόγια που διατηρούν την επίσημη παγκόσμια ώρα είναι ακριβή σε 3 μέρη το 1016, επομένως θα κέρδιζαν ή θα έχαναν λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο σε 100 εκατομμύρια χρόνια.
Θα πρέπει να είναι δυνατό να κρατάμε τον χρόνο με διαφορετικό τρόπο, λέει ο Holger Müller, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Οποιοδήποτε τεράστιο σωματίδιο πρέπει να περιγράφεται από ένα κβαντικό κύμα που ταλαντώνεται πάνω-κάτω ακόμα κι αν το σωματίδιο απλά κάθεται εκεί. Όσο βαρύτερο είναι το άτομο, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα αυτού του πτερυγίου, η οποία είναι γνωστή ως συχνότητα Compton. Κατ' αρχήν, η κβαντική ταλάντωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διατήρηση του χρόνου.
Στην πράξη, η συχνότητα Compton για ένα άτομο είναι πολύ υψηλή για να μετρηθεί από οποιονδήποτε ηλεκτρονικό μετρητή - κάτι σαν ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια κύκλους ανά δευτερόλεπτο. Έτσι ο Müller, ο μαθητής του Shau-Yu Lan και οι συνάδελφοί του επινόησαν έναν τρόπο να το παρακολουθήσουν σε ένα πείραμα που εκμεταλλεύεται τη θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein, όπως αναφέρουν διαδικτυακά αυτήν την εβδομάδα στο Science .
Οι ερευνητές ξεκινούν με μια ρουφηξιά ατόμων καισίου που πέφτει στο διάστημα προς έναν ανιχνευτή. Στην πορεία, τα άτομα συναντούν παλμούς δύο αντίθετων λέιζερ με ελαφρώς διαφορετικές συχνότητες που σπρώχνουν απαλά τα άτομα χωρίς να αλλάζουν την εσωτερική τους δομή. Οι παλμοί χωρίζουν το σύννεφο στα δύο και το μισό του σύννεφου πέφτει κανονικά. Ο άλλος απομακρύνεται από το πρώτο ημίχρονο και μετά σπρώχνεται πίσω προς το μέρος του για να προλάβει.
Εδώ μπαίνει η σχετικότητα. Από την προοπτική του μη ωθημένου μισού του σύννεφου, το δεύτερο μισό απομακρύνεται και μετά επιστρέφει. Επειδή αυτό το δεύτερο μισό κινείται με λίγα εκατοστά το δευτερόλεπτο, ο χρόνος του φαίνεται να επιβραδύνεται λίγο χάρη στην παράξενη χρονική διαστολή που προβλέπει η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Έτσι, το κβαντικό κύμα για αυτό το μισό του νέφους ταλαντώνεται ελαφρώς πιο αργά από αυτό για το πρώτο μισό του νέφους.
Όταν τα σύννεφα ανασυνδυάζονται, αυτή η διαφορά στις ταλαντώσεις επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο επικαλύπτονται και «παρεμβαίνουν». Εάν οι ερευνητές συντονίσουν τη διαφορά στη συχνότητα των δύο λέιζερ ακριβώς σωστά, τα κύματα ανασυνδυασμού θα παρεμβαίνουν «εποικοδομητικά» έτσι ώστε το σύννεφο να πέσει στον ανιχνευτή. Και σε αυτή την κατάσταση, μια απλή εξίσωση συσχετίζει τη «συχνότητα διαφοράς», η οποία μπορεί να διαβαστεί σαν να χτυπά ένα ρολόι, με τη συχνότητα Compton των ατόμων και την πολύ χαμηλότερη μέση συχνότητα των δύο λέιζερ.
Αυτό είναι σχεδόν αυτό που θέλουν οι ερευνητές, εκτός από την παρουσία της ενοχλητικής μέσης συχνότητας των λέιζερ. Εφόσον αυτή η συχνότητα παραμένει ως ανεξάρτητη είσοδος, ολόκληρο το σχήμα βασίζεται σε οποιοδήποτε ρολόι χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της και δεν είναι από μόνο του ένα ανεξάρτητο ρολόι. Για να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές χρησιμοποιούν ένα περίπλοκο σύστημα ανάδρασης που ονομάζεται χτένα συχνότητας που καθορίζει τη μέση συχνότητα των λέιζερ σε ένα γνωστό πολλαπλάσιο της συχνότητας διαφοράς. Στη συνέχεια, η μέση συχνότητα λέιζερ πέφτει από την εξίσωση, αφήνοντας τη διαφορά συχνότητας σε ένα γνωστό κλάσμα της συχνότητας Compton. Έτσι, ο ρυθμός του ρολογιού καθορίζεται μόνο από τη μάζα του ατόμου καισίου.
Το πείραμα είναι ένα "tour de force", λέει ο Hall, ο οποίος μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής το 2005 για τον ρόλο του στην ανάπτυξη της χτένας συχνοτήτων. Ωστόσο, η ακρίβεια της εξέδρας είναι μόνο ένα μέρος στα 100 εκατομμύρια, λέει, οπότε οποιοσδήποτε ισχυρισμός ότι μπορεί να ανταγωνιστεί τα ατομικά ρολόγια «οδηγεί κάποιον να πιστέψει ότι το κάπνισμα μιας συγκεκριμένης ουσίας είναι νόμιμο στην Καλιφόρνια».
Η πραγματική αξία της προσέγγισης μπορεί να προέλθει από τον επαναπροσδιορισμό του κιλού, λέει ο Hall. Το κιλό είναι η τελευταία φυσική μονάδα στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων που ορίζεται από ένα φυσικό τεχνούργημα, έναν κύλινδρο πλατίνας-ιριδίου που φυλάσσεται από το Διεθνές Γραφείο Βαρών και Μετρών στις Σεβρές της Γαλλίας. Αλλά αυτό το πρότυπο έχει γίνει σταθερά πιο ελαφρύ με τις δεκαετίες καθώς καθαρίζεται επανειλημμένα, λέει.
Η μέτρηση της συχνότητας Compton προσφέρει έναν άλλο τρόπο ορισμού της μονάδας. Οι ερευνητές θα μπορούσαν απλώς να ορίσουν τη σταθερά του Planck, τον αριθμό που πρέπει να πολλαπλασιαστεί με αυτή τη συχνότητα για να πάρουν τη μάζα ενός ατόμου. Μια μέτρηση της συχνότητας Compton ενός ατόμου θα έδινε τότε μια ακριβή τιμή της μάζας του σε κιλά. Στην πραγματικότητα, το πείραμα του Müller μπορεί να ερμηνευτεί εκ νέου ως μέτρηση της σταθεράς του Planck στο υπάρχον σύστημα μονάδων, λέει ο Hall. Μια ομάδα με επικεφαλής τον François Biraben της École Normale Supérieure στο Παρίσι έχει χρησιμοποιήσει μια πολύ παρόμοια τεχνική για να παράγει μια καλύτερη μέτρηση, προσθέτει.
Ακόμα κι αν το κιλό επαναπροσδιοριστεί με αυτόν τον τρόπο, θα χρειαστεί δουλειά ακόμα για να μεταφραστεί στη μακροσκοπική κλίμακα της καθημερινότητας. «Υπάρχει πολύς δρόμος από τη μικροσκοπική μάζα ενός ατόμου σε κάτι που μπορείτε να πάρετε στο σούπερ μάρκετ για να εγγυηθείτε ότι όταν αγοράζετε ένα κιλό ζάχαρης, είναι ένα κιλό», λέει ο Στίβεν Κάντιφ, φυσικός στο JILA. Ερευνητές με μια πρωτοβουλία καθορισμού κιλών που ονομάζεται Avogadro Project προσπαθούν να γεφυρώσουν αυτό το χάσμα διαμορφώνοντας σφαίρες πυριτίου που περιέχουν ακριβείς αριθμούς ατόμων. Εάν οι επιστήμονες μπορέσουν να καταγράψουν τη μάζα του ατόμου του πυριτίου, οι σφαίρες θα μεταφράσουν αυτή τη μάζα στη μακροσκοπική κλίμακα.
