Naukowcy z JILA opracowali ultraprecyzyjny zegar atomowy, zwiększając dokładność pomiaru czasu do niespotykanego dotąd poziomu. Ta innowacja, która mierzy czas za pomocą widzialnych fal świetlnych, może zmienić nawigację, odkryć ukryte zasoby i przetestować podstawowe teorie, takie jak ogólna teoria względności. (Koncepcja artysty.) Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy z JILA stworzyli najdokładniejszy jak dotąd zegar atomowy, wykorzystując światło widzialne do pomiaru czasu. Ten przełom może na nowo zdefiniować standardy pomiaru czasu i odblokować nowe spostrzeżenia w fizyce, pomagając zarówno w eksploracji kosmosu, jak i w badaniach naukowych obliczenia kwantowe.
W nieustannym dążeniu ludzkości do doskonałości naukowcy stworzyli zegar atomowy, który przewyższa wszystkie poprzednie zegary pod względem precyzji i dokładność. Opracowany przez naukowców z JILA, wspólnej instytucji Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) i Uniwersytetu Colorado w Boulder, ten nowy zegar stanowi znaczący postęp w technologii pomiaru czasu.
Umożliwiając precyzyjną nawigację w rozległej przestrzeni kosmicznej i poszukiwanie nowych cząstek, ten zegar jest najnowszym zegarem, który wykracza poza zwykłe mierzenie czasu. Dzięki zwiększonej precyzji chronometrażyści nowej generacji mogliby odkrywać ukryte podziemne złoża minerałów i testować podstawowe teorie, takie jak ogólna teoria względności, z niespotykaną dotąd rygorystycznością. Dla architektów zegarów atomowych nie chodzi tylko o zbudowanie lepszego zegara; chodzi o odkrycie tajemnic wszechświata i utorowanie drogi technologiom, które będą kształtować nasz świat na przyszłe pokolenia.
Światowa społeczność naukowa rozważa ponowne zdefiniowanie drugiej, międzynarodowej jednostki czasu, w oparciu o optyczne zegary atomowe nowej generacji. Zegary atomowe istniejącej generacji wysyłają mikrofale na atomy, aby zmierzyć sekundę. Ta nowa fala zegarów oświetla atomy widzialnymi falami świetlnymi, które mają znacznie wyższą częstotliwość, aby znacznie dokładniej odliczyć drugą. Oczekuje się, że w porównaniu z obecnymi zegarami mikrofalowymi zegary optyczne zapewnią znacznie większą dokładność międzynarodowego pomiaru czasu – potencjalnie tracąc tylko jedną sekundę na 30 miliardów lat.
Zanim jednak te zegary atomowe będą mogły działać z tak dużą dokładnością, muszą charakteryzować się bardzo dużą precyzją; innymi słowy, muszą być w stanie zmierzyć niezwykle małe ułamki sekundy. Osiągnięcie zarówno wysokiej precyzji, jak i wysokiej dokładności może mieć ogromne konsekwencje.
Uwięziony w czasie
Nowy zegar JILA wykorzystuje sieć światła zwaną „siatką optyczną” do wychwytywania i pomiaru dziesiątek tysięcy pojedynczych atomów jednocześnie. Posiadanie tak dużego zespołu zapewnia ogromną przewagę w zakresie precyzji. Im więcej zmierzonych atomów, tym więcej danych ma zegar umożliwiający dokładny pomiar sekundy.
Niezwykle zimny gaz złożony z atomów strontu jest uwięziony w sieci światła zwanej siecią optyczną. Atomy utrzymywane są w środowisku o bardzo wysokiej próżni, co oznacza, że prawie nie ma w nich powietrza ani innych gazów. Próżnia ta pomaga zachować delikatne stany kwantowe atomów, które są kruche. Czerwona kropka, którą widzisz na obrazku, jest odbiciem światła lasera użytego do stworzenia pułapki atomowej. Źródło: K. Pałubicki/NIST
Aby osiągnąć nową rekordową wydajność, badacze z JILA wykorzystali płytszą, delikatniejszą „sieć” światła laserowego do uwięzienia atomów w porównaniu z poprzednimi zegarami z siecią optyczną. To znacznie ograniczyło dwa główne źródła błędów — wpływ światła lasera zatrzymującego atomy oraz atomy zderzające się ze sobą, gdy są zbyt ciasno upakowane.
Naukowcy opisują swoje postępy w Listy z przeglądu fizycznego.
Zegarowa teoria względności w najmniejszych skalach
„Ten zegar jest tak precyzyjny, że może wykryć drobne efekty przewidywane przez teorie takie jak ogólna teoria względności, nawet w skali mikroskopowej” – powiedział Jun Ye, fizyk NIST i JILA. „To przesuwanie granic możliwości pomiaru czasu”.
Ogólna teoria względności to teoria Einsteina, która opisuje, w jaki sposób grawitacja jest spowodowana zakrzywieniem przestrzeni i czasu. Jednym z kluczowych przewidywań ogólnej teorii względności jest to, że grawitacja wpływa na sam czas — im silniejsze pole grawitacyjne, tym wolniej płynie czas.
Ta nowa konstrukcja zegara może pozwolić na wykrycie efektów relatywistycznych na pomiar czasu w skali submilimetrowej, mniej więcej grubości pojedynczego ludzkiego włosa. Podniesienie lub obniżenie zegara o tak niewielką odległość wystarczy, aby badacze dostrzegli niewielką zmianę w przepływie czasu spowodowaną działaniem grawitacji.
Ta umiejętność obserwacji skutków ogólnej teorii względności w skali mikroskopowej może w znaczący sposób wypełnić lukę pomiędzy mikroskopijną sferą kwantową a zjawiskami wielkoskalowymi opisanymi przez ogólną teorię względności.
Nawigacja w przestrzeni kosmicznej i postęp kwantowy
Bardziej precyzyjne zegary atomowe umożliwiają także dokładniejszą nawigację i eksplorację kosmosu. W miarę jak ludzie zapuszczają się dalej w głąb Układu Słonecznego, zegary będą musiały wskazywać dokładny czas na dużych odległościach. Nawet drobne błędy w pomiarze czasu mogą prowadzić do błędów nawigacji, które rosną wykładniczo w miarę dalszej podróży.
„Jeśli chcemy wylądować statkiem kosmicznym Mars jeśli chodzi o najwyższą dokładność, będziemy potrzebować zegarów o rząd wielkości dokładniejszych niż te, które mamy dzisiaj GPS– powiedział Ye. „Ten nowy zegar to ważny krok w kierunku umożliwienia tego”.
Te same metody, które służą do pułapkowania i kontrolowania atomów, mogą również spowodować przełom w informatyce kwantowej. Aby móc wykonywać obliczenia, komputery kwantowe muszą być w stanie precyzyjnie manipulować wewnętrznymi właściwościami poszczególnych atomów lub cząsteczek. Postęp w kontrolowaniu i pomiarach mikroskopijnych układów kwantowych znacznie posunął się do przodu w tym przedsięwzięciu.
Wyruszając w mikroskopijną krainę, w której krzyżują się teorie mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, badacze otwierają drzwi do nowego poziomu zrozumienia fundamentalnej natury samej rzeczywistości. Od nieskończenie małych skal, w których przepływ czasu zostaje zniekształcony przez grawitację, po rozległe kosmiczne granice, w których rządzą ciemna materia i ciemna energia, wyjątkowa precyzja tego zegara obiecuje rzucić światło na niektóre z najgłębszych tajemnic wszechświata.
„Badamy granice nauki o pomiarach” – powiedział Ye. „Kiedy potrafisz mierzyć rzeczy z taką precyzją, zaczynasz dostrzegać zjawiska, o których do tej pory mogliśmy tylko teoretyzować”.
Odniesienie: „Zegar z niepewnością systematyczną 8×10−19” autorstwa Alexandra Aeppliego, Kyungtae Kima, Williama Warfielda, Marianny S. Safronowej i Jun Ye, 10 lipca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.023401
