Το ατομικό ρολόι της Κίνας πέρασε το διαστημικό τεστ
Τα ρολόγια που χρησιμοποιούν ψυχρά άτομα αποτελούν τη ραχοκοκαλιά του διεθνούς συστήματος χρόνου εδώ στη Γη. Τώρα, επιστήμονες στην Κίνα επέδειξαν με επιτυχία ένα ρολόι ψυχρού ατόμου στο διάστημα, ένα επίτευγμα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο ακριβή επίγεια χρονομέτρηση και καλύτερες δοκιμές θεμελιωδών φυσικών.
Τα περισσότερα ατομικά ρολόγια βασίζονται σε ένα πολύ σταθερό τικ:τη συχνότητα του φωτός φθορισμού που εκπέμπεται από τα άτομα καισίου μετά τη διέγερσή του από ένα πεδίο μικροκυμάτων. Η συχνότητα είναι πιο σταθερή όταν τα άτομα κινούνται αργά, και έτσι οι επιστήμονες παγιδεύουν πρώτα τα άτομα χρησιμοποιώντας διασταυρούμενες ακτίνες λέιζερ και τα ψύχουν σε μερικά εκατομμυριοστά της μοίρας πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Επειδή οι ακτίνες λέιζερ θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη μέτρηση της συχνότητας, τα άτομα πρέπει να απελευθερωθούν από την παγίδα πριν διεγερθούν από τα μικροκύματα. Τυπικά, σπρώχνονται προς τα πάνω από ένα άλλο λέιζερ και χτυπιούνται με μικροκύματα καθώς ανεβαίνουν και μετά πέφτουν πίσω στη Γη. Αλλά η σύντομη διάρκεια αυτής της ελεύθερης πτώσης περιορίζει τη διάρκεια της ανίχνευσης των ατόμων και, ως εκ τούτου, την ακρίβεια και τη σταθερότητα του ρολογιού. Στην τροχιά, ωστόσο, τα άτομα βρίσκονται σε συνεχή ελεύθερη πτώση και μπορούν κατ' αρχήν να διερευνηθούν για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους.
Το Πείραμα Ρολογιού Ψυχρού Ατόμου στο Διάστημα (CACES) περιλαμβάνει την παγίδευση, την ψύξη και την ανίχνευση ατόμων ρουβιδίου μέσα σε ένα κουτί που θα μπορούσε να χωρέσει στο πορτμπαγκάζ ενός αυτοκινήτου. Σε τροχιά σε υψόμετρο 400 χιλιομέτρων, το πείραμα εκτοξεύτηκε στο διαστημικό εργαστήριο Tiangong-2 της Κίνας τον περασμένο Σεπτέμβριο. Τώρα, ένα χρόνο αργότερα, αποδίδει ακριβώς όπως αναμενόταν, σύμφωνα με ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή arXiv από επιστήμονες στο Ινστιτούτο Οπτικής και Λεπτής Μηχανικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών της Σαγκάης.
Ο αρχηγός της ομάδας της Σαγκάης Liang Liu λέει ότι αυτός και οι συνάδελφοί του «έπρεπε να εργάζονται νύχτα και μέρα» για να ετοιμάσουν το CACES για εκτόξευση. «Συνάντησαν τεράστιες τεχνικές δυσκολίες», θυμάται, στη συρρίκνωση του ογκώδους και πολύπλοκου εξοπλισμού που απαιτείται για την παγίδευση και την ψύξη των ατόμων και επίσης διασφαλίζοντας ότι το κιτ αντέχει στις ακαμψίες του διαστήματος. "Ευτυχώς το κάναμε και μετά από ένα χρόνο σε τροχιά το CACES εξακολουθεί να λειτουργεί τέλεια", λέει.
Ως εκ τούτου, ο Liu και οι συνεργάτες του έχουν ξεπεράσει τους επιστήμονες που εργάζονται σε μια αποστολή για την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία, γνωστή ως Atomic Clock Ensemble in Space (ACES). Το ACES, που προτάθηκε το 1997, αντιμετώπισε μια σειρά καθυστερήσεων χρηματοδότησης και τεχνικών που σημαίνει ότι δεν θα φτάσει στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό για τουλάχιστον άλλο ένα χρόνο. Αντίθετα, το CACES έχει περάσει από τη σύλληψη σε λειτουργία σε μόλις μια δεκαετία.
Το κινεζικό ρολόι, ωστόσο, είναι λιγότερο προηγμένο από το αντίστοιχο ευρωπαϊκό, το οποίο θα χρησιμοποιεί ψυχρά άτομα καισίου. Πρώτον, η εκτιμώμενη σταθερότητά του - τρία μέρη στα 10 - είναι το ένα τρίτο της αξίας σχεδιασμού ACES, που σημαίνει ότι θα χρειαζόταν εννέα φορές περισσότερο χρόνο για να επιτευχθεί μια δεδομένη ακρίβεια. Επιπλέον, το CACES δεν μεταδίδει το τικ στη Γη, επομένως η ακρίβειά του δεν μπορεί να παρακολουθείται τακτικά. (Έχει μια σύνδεση δεδομένων αλλά όχι μια που μπορεί να στείλει πληροφορίες σταθερής ώρας και συχνότητας.) Το ACES, από την άλλη πλευρά, θα επικοινωνήσει τη χρονομέτρησή του στη Γη μέσω μιας ζεύξης μικροκυμάτων, επιτρέποντας τη βαθμονόμηση των ατομικών ρολογιών στο έδαφος και επιτρέποντας επίσης δοκιμές της θεωρίας της γενικής σχετικότητας που περιλαμβάνει την επίδραση του υψομέτρου στον ρυθμό του ρολογιού.
Ο κύριος ερευνητής του ACES Christophe Salomon, ατομικός φυσικός στην Ecole Normale Supérieure στο Παρίσι, λέει ότι παρόλο που ο Liu και οι συνεργάτες του έχουν επιδείξει τα βασικά ενός ρολογιού κρύου ατόμου σε τροχιά, δεν έχουν εκμεταλλευτεί πλήρως αυτή την ικανότητα—η μεγαλύτερη καταγεγραμμένη μέτρηση χρόνου ήταν στην πραγματικότητα μικρότερο από τα 0,5 δευτερόλεπτα που συνήθως επιτυγχάνονται στη Γη. "Έχουν κάνει μια ωραία επίδειξη τεχνολογίας", λέει, "αλλά είναι απογοητευτικό το γεγονός ότι δεν εκμεταλλεύτηκαν τη μικροβαρύτητα."
Ο Stephan Schiller, ατομικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ντίσελντορφ στη Γερμανία, επισημαίνει ότι, αυστηρά μιλώντας, το CACES δεν είναι το πρώτο πείραμα ψυχρού ατόμου που πραγματοποιείται στο διάστημα. Τον Ιανουάριο, Γερμανοί ερευνητές παρήγαγαν μια εξωτική κατάσταση ύλης γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein εκτοξεύοντας ψυχρά άτομα σε έναν πύραυλο από τη Σουηδία. Αλλά αυτή η πτήση διήρκεσε μόλις 6 λεπτά - «ένα διαφορετικό πάρκο μπάλας» σε ένα χρόνο δοκιμών, υποστηρίζει. "Με το πείραμά τους", λέει, "οι Κινέζοι βρίσκονται στην πρώτη γραμμή των αισθητήρων ψυχρών ατόμων που βασίζονται στο διάστημα παγκοσμίως."
Στη συνέχεια, ο Liu και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν να εγκαταστήσουν ένα πιο σταθερό ρολόι με συνδέσμους με το έδαφος στον διαστημικό σταθμό της Κίνας, ο οποίος πρόκειται να αρχίσει να διαμορφώνεται το 2020. Στη συνέχεια, τόσο αυτοί όσο και μια ομάδα Ευρωπαίων ερευνητών με επικεφαλής τον Schiller στοχεύουν να δοκιμάσουν τροχιακά " οπτικά ρολόγια», τα οποία θα χρησιμοποιούσαν μια δέσμη λέιζερ για να ανιχνεύσουν άτομα με εκπομπές υψηλότερης συχνότητας, προκειμένου να δημιουργήσουν ακόμη πιο ακριβείς κρότους από μια συσκευή μικροκυμάτων. "Υπάρχει ένα συναρπαστικό μέλλον για τα ρολόγια υψηλής ακρίβειας στο διάστημα", λέει ο Schiller.
