Τι είναι τα οπτικά ρολόγια και γιατί είναι σημαντικά;

Για τους περισσότερους ανθρώπους, η κατανόηση του χρόνου δεν εκτείνεται πέρα ​​από την οθόνη του ρολογιού ή του smartphone τους. Η ώρα που εμφανίζονται είναι ακριβής. Δεν αφιερώνουμε πολύ χρόνο στο να σκεφτόμαστε πώς κάθε συσκευή λέει την ώρα ή από πού λαμβάνει τις πληροφορίες της.

Για δεκαετίες, βασιζόμαστε στα ατομικά ρολόγια για να πούμε την ώρα και να μας βοηθούν να παρακολουθούμε το σύμπαν γύρω μας. Είναι το χρυσό πρότυπο για την ένδειξη του χρόνου από το 1955. Ωστόσο, η τεχνολογία αλλάζει και χρειαζόμαστε κάτι ακόμα πιο ακριβές από το ατομικό ρολόι. Τι είναι τα οπτικά ρολόγια και γιατί είναι τόσο σημαντικά;

Ξεκινώντας με τα ατομικά ρολόγια

Για δεκαετίες, τόσο η επιστημονική κοινότητα όσο και ο κόσμος εξαρτώνται από τα ατομικά ρολόγια για να ορίζουν μικρότερα χρονικά διαστήματα. Μόλις προχωρήσετε πέρα ​​από την παρακολούθηση των εποχών και του ήλιου στον ουρανό, η αφήγηση του χρόνου έχει να κάνει με δύο πράγματα. Βασίζεται σε ταλαντώσεις και συχνότητες συντονισμού.

Τα ρολόγια εκκρεμούς, τα οποία ήταν ένα από τα πρώτα ρολόγια που δεν βασίζονταν στη θέση του ήλιου, αντηχούσαν με περίπου 1 αιώρηση ανά δευτερόλεπτο. Το ψηφιακό ρολόι στο κομοδίνο σας (υποθέτοντας ότι δεν είναι έξυπνο ρολόι ή κινητό τηλέφωνο) χρησιμοποιεί τον συντονισμό του ηλεκτρικού ρεύματος που ταξιδεύει μέσα από τα καλώδια ρεύματος. Αυτό αντηχεί σε περίπου 60 κύκλους/δευτερόλεπτο στις Ηνωμένες Πολιτείες και 50 κύκλους/δευτερόλεπτο στην Ευρώπη λόγω της διαφοράς μεταξύ εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος.

Τα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούν επίσης συχνότητες συντονισμού, αλλά σε πολύ μικρότερη κλίμακα. Αυτά τα ρολόγια βασίζονται σε άτομα καισίου-133, επειδή κάθε άτομο αυτού του στοιχείου είναι - όσο μπορούν να ανακαλύψουν οι ερευνητές - σχεδόν πανομοιότυπο μεταξύ τους. Η συχνότητα συντονισμού του καισίου ξεπερνά τους 9,1 δισεκατομμύρια κύκλους κάθε δευτερόλεπτο, επιτρέποντας στους ερευνητές να δημιουργήσουν ένα πολύ ακριβές ρολόι.

Για πολλά χρόνια, αυτό ήταν αρκετό και θεωρήθηκε ακόμη και το χρυσό πρότυπο της μέτρησης του χρόνου. Αλλά καθώς οι επιστήμονες και οι ερευνητές μαθαίνουν περισσότερα για το σύμπαν, ανακάλυψαν ότι χρειάζονται περισσότερη ακρίβεια από ό,τι μπορεί να προσφέρει ακόμη και το καίσιο-133.

Optical Clocks 101

Τα ατομικά ρολόγια είναι απίστευτα ακριβή, αλλά δεν είναι αλάνθαστα. Υπάρχει ακόμα η πιθανότητα να εμφανίσουν κάποιο σφάλμα με την πάροδο του χρόνου. Συνήθως, δεν είναι περισσότερο από ένα νανοδευτερόλεπτο. Ωστόσο, όταν ολόκληρος ο κόσμος βασίζεται στα ρολόγια σας για να ορίσει τα δικά του ρολόγια, μπορεί να προστεθεί ακόμη και ένα νανοδευτερόλεπτο.

Τα οπτικά ρολόγια είναι παρόμοια με τα ατομικά ρολόγια στο ότι χρησιμοποιούν τις συχνότητες συντονισμού συγκεκριμένων στοιχείων για να πουν την ώρα. Ωστόσο, εκεί τελειώνουν οι ομοιότητες. Τα οπτικά ρολόγια αντηχούν σε συχνότητες έως και 100.000 φορές υψηλότερες από το καίσιο-133 που χρησιμοποιείται στα ατομικά ρολόγια. Αντί να βασίζονται στο καίσιο, τα οπτικά ρολόγια χρησιμοποιούν στοιχεία όπως το στρόντιο και το υττέρβιο σε συνδυασμό με λέιζερ για να ανιχνεύσουν τις συχνότητες συντονισμού τους.

Εκτός από το ότι είναι πιο ακριβές από τον προκάτοχό του, είναι πιο εύκολο και γρήγορο να ρυθμίσετε ένα οπτικό ρολόι. Τα ατομικά ρολόγια συχνά απαιτούν μήνες υπολογισμού του μέσου όρου και βαθμονόμησης για να μπορέσουν να πουν με ακρίβεια την ώρα. Οι ταχύτερες συχνότητες συντονισμού των οπτικών ρολογιών επιτρέπουν στους ερευνητές να ολοκληρώσουν τις ίδιες εργασίες σε δευτερόλεπτα.

Η σημασία των οπτικών ρολογιών

Ήμασταν σε θέση να λέμε τον χρόνο με μεγάλη ακρίβεια για δεκαετίες, χάρη στα ατομικά ρολόγια με βάση το καίσιο. Τώρα, η κατανόησή μας για το σύμπαν επεκτείνεται και εξελίσσεται. Χρειαζόμαστε νέα εργαλεία που θα μας βοηθήσουν να συμβαδίζουμε με όλα τα νέα πράγματα που έχουμε μάθει. Εκεί θα ευδοκιμήσουν τα οπτικά ρολόγια.

Σε παγκόσμια κλίμακα, θα επιτρέψουν στις εταιρείες να χρησιμοποιούν πιο ακριβείς χρονικές σημάνσεις για τις λειτουργίες τους. Θα αυξήσει την παγκοσμιοποίηση για το λιανικό εμπόριο, τη χρηματοδότηση, τη φιλοξενία και παρόμοιες βιομηχανίες, επειδή τα συστήματά τους θα είναι σε θέση να ολοκληρώσουν τις ίδιες εργασίες σε ένα κλάσμα του χρόνου. Θα επιτρέψει επίσης στο GPS να είναι πιο ακριβές, δίνοντας σε αυτούς τους δορυφόρους τη δυνατότητα να σας στοχεύουν μέσα σε λίγα εκατοστά, αντί για λίγα μέτρα όπως μπορούν τώρα. Αυτό, με τη σειρά του, θα βοηθήσει τα αυτόνομα αυτοκίνητα και άλλα οχήματα με αυτόματο πιλότο να πλοηγηθούν με επιτυχία στο περιβάλλον τους.

Η ευρεία υιοθέτηση των οπτικών ρολογιών θα μπορούσε ακόμη και να βελτιώσει την ταχύτητα με την οποία τα κινητά τηλέφωνα και άλλες κινητές συσκευές μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν δεδομένα. Το 5G μπορεί να είναι γρήγορο τώρα, αλλά τα συστήματα που υποστηρίζονται από την ακριβή χρονομέτρηση των οπτικών ρολογιών θα μπορούσαν να το βγάλουν από το νερό.

Κοιτάζοντας την επιστήμη πίσω από αυτήν

Αν και το πιο ακριβές GPS και οι πιο γρήγορες κινητές συσκευές μπορεί να ακούγονται σαν ευλογία για τον μέσο καταναλωτή, η επιστημονική κοινότητα είναι πραγματικά ενθουσιασμένη που αγκαλιάζει όλα όσα έχουν να προσφέρουν αυτά τα νέα ρολόγια.

Μία από τις πιο συναρπαστικές πιθανές εφαρμογές για αυτά τα υπερ-ακριβή ρολόγια είναι ότι μπορεί τελικά να δώσουν στους φυσικούς τα εργαλεία για να μπορούν να αναγνωρίσουν τη σκοτεινή ύλη.

Σύμφωνα με τη NASA, το σύμπαν μας είναι περίπου 68% σκοτεινή ενέργεια, 27% σκοτεινή ύλη και 5% ύλη. Αυτό σημαίνει ότι με τα σημερινά μας εργαλεία, μπορούμε να παρατηρήσουμε μόνο το 5% ολόκληρου του σύμπαντος. Αντί να αναζητούν εμφανή σημάδια βαριάς σκοτεινής ύλης, οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν οπτικά ρολόγια για να ανιχνεύσουν τις ταλαντώσεις των υπερελαφρών σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.

Αν και δεν είναι το ίδιο με το να τα βλέπουμε, έχει τη δυνατότητα να αποδείξει ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια υπάρχουν, κάτι που δεν έχουμε ακόμη αποδείξει.

Ενώ η τροχιά και η περιστροφή της Γης είναι τα κύρια εργαλεία μας για τον καθορισμό μεγάλων χρονικών περιόδων, το τελευταίο μπορεί να είναι υποκειμενικό. Η εισαγωγή των οπτικών ρολογιών μπορεί να οδηγήσει τους επιστήμονες να επαναπροσδιορίσουν το δεύτερο για να το κάνουν πιο ακριβές. Σε μεγάλη κλίμακα, αυτό δεν θα επηρεάσει τους περισσότερους ανθρώπους κατά τις καθημερινές τους δραστηριότητες.

Telling Time

Η ακριβής ένδειξη της ώρας απαιτεί πολύ περισσότερα από ένα ηλιακό ρολόι ή την προθυμία να παρακολουθείτε τον ήλιο στον ουρανό. Από τα εκκρεμή και τα ψηφιακά ρολόγια μέχρι τη δημιουργία ατομικών και οπτικών ρολογιών, η ανθρώπινη φυλή πάντα προσπαθούσε να κατανοήσει καλύτερα τον κόσμο γύρω μας. Το να μπορούμε να πούμε την ώρα με ακρίβεια είναι μόνο ένα από τα εργαλεία που έχουμε δημιουργήσει για να ολοκληρώσουμε αυτήν την εργασία.