Με καλύτερα ατομικά ρολόγια, οι επιστήμονες ετοιμάζονται να επαναπροσδιορίσουν το δεύτερο

Τα ατομικά ρολόγια που σηματοδοτούν την επίσημη ώρα χάνουν το ισοδύναμο μόλις 1 δευτερολέπτου κάθε 200 εκατομμύρια χρόνια. Όμως οι μετρολόγοι δεν είναι ικανοποιημένοι. Ένα πιο ακριβές πρότυπο χρόνου μπορεί να βελτιώσει την πλοήγηση των διαστημικών σκαφών και να βοηθήσει τους πειραματιστές να αναζητήσουν παραλλαγές στις θεμελιώδεις σταθερές που θα σηματοδοτήσουν νέα φυσική. Έτσι, η ώθηση είναι ενεργοποιημένη για να αντικατασταθούν τα τρέχοντα ρολόγια, τα οποία είναι συντονισμένα σε μια συγκεκριμένη συχνότητα μικροκυμάτων, με ακόμη καλύτερα ρολόγια που εκμεταλλεύονται το ορατό φως υψηλότερης συχνότητας.

Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα, μια ομάδα εμπειρογνωμόνων που συστάθηκε από το Διεθνές Γραφείο Βαρών και Μετρών (BIPM) στις Σεβρές της Γαλλίας, παρουσιάζει έναν οδικό χάρτη για τα βήματα που απαιτούνται για τον επαναπροσδιορισμό της μονάδας χρόνου - το μετρικό δευτερόλεπτο - στο όρους οπτικής ακτινοβολίας. Ήδη, οι φυσικοί στο Εργαστήριο Boulder του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Κολοράντο φαίνεται να έχουν ικανοποιήσει μια από τις βασικές απαιτήσεις του οδικού χάρτη - μια 100πλάσια βελτίωση στην ακρίβεια σε σχέση με τα καλύτερα ρολόγια μικροκυμάτων - χρησιμοποιώντας ένα ζευγάρι οπτικών ρολογιών.

Τα ρολόγια σημειώνουν την ώρα παρακολουθώντας μια περιοδική ενέργεια. Το ρολόι του παππού βασίζεται στις κανονικές ταλαντεύσεις ενός εκκρεμούς και ο αρχικός ορισμός του δεύτερου βασίστηκε στη διάρκεια μιας ημέρας όπως καθορίστηκε από το γύρισμα της Γης. Τα τρέχοντα ατομικά ρολόγια εξαρτώνται από τις ταλαντώσεις μιας δέσμης μικροκυμάτων στην ακριβή συχνότητα που απαιτείται για να διεγείρουν τα άτομα του καισίου-133 σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Το 1967, ο δεύτερος ορίστηκε ως 9.192.631.770 κύκλοι δέσμης συντονισμένων στο πρότυπο καισίου. Σήμερα, τα καλύτερα ρολόγια καισίου έχουν ακρίβεια 1,6 μερών στα 10.

Η συχνότητα του ορατού φωτός είναι περίπου 100.000 φορές υψηλότερη από αυτή των μικροκυμάτων, υποσχόμενη ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια. Ωστόσο, τα λέιζερ που απαιτούνται για την ψύξη των ατόμων και την παροχή σταθερής αναφοράς σε αυτές τις συχνότητες είναι μια πρόκληση για την κατασκευή. Οι βελτιώσεις στην τεχνολογία λέιζερ οδήγησαν την BIPM πριν από μερικά χρόνια να αρχίσει να εξετάζει την ακρίβεια των οπτικών ρολογιών. Στις 14 Φεβρουαρίου δημοσίευσε μια εργασία στο περιοδικό της, Metrologia , ορίζοντας πέντε ορόσημα που θα πρέπει να επιτευχθούν προτού το δεύτερο μπορεί να επαναπροσδιοριστεί με βάση το ορατό φως. Και σε αδημοσίευτο έργο, ο Andrew Ludlow και οι συνάδελφοί του στο NIST φαίνεται να έχουν φτάσει στην ακρίβεια που ορίζεται από το πρώτο ορόσημο του BIPM.

Η ομάδα NIST λειτούργησε δύο οπτικά ρολόγια, χρησιμοποιώντας πολλά λέιζερ για να ψύξει και να παγιδεύσει μερικές χιλιάδες άτομα υττερβίου σε ένα «οπτικό πλέγμα» και στη συνέχεια να διεγείρει μια συγκεκριμένη ενεργειακή μετάβαση σε αυτά τα άτομα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα δύο ρολόγια χτυπούσαν με τον ίδιο ρυθμό σε 1,4 μέρη στα 10 - λίγο πάνω από 100 φορές καλύτερα από τις κορυφαίες συσκευές καισίου. "Θα ήταν η πρώτη φορά που δύο ρολόγια του ίδιου είδους έχουν αποδειχθεί ότι συμφωνούν σε αυτό το επίπεδο", λέει ο Ludlow.

Όντας προσεκτικοί, οι μετρολόγοι δεν θα δεχτούν το αποτέλεσμα NIST στην ονομαστική τους αξία. Ο Jérôme Lodewyck, ένας φυσικός που εργάζεται σε ρολόγια πλέγματος στροντίου στο εργαστήριο Time-Space Reference Systems του Παρατηρητηρίου του Παρισιού, λέει ότι το αποτέλεσμα NIST «είναι πιθανώς σωστό», αλλά ότι όταν πρόκειται για αλλαγή του δεύτερου, «πιθανώς το σωστό δεν είναι αρκετά καλό». Σημειώνει ότι κάτι απροσδόκητο—ίσως ένα αδέσποτο ηλεκτρικό πεδίο—θα μπορούσε να εκτινάξει δύο ρολόγια στο ίδιο εργαστήριο με την ίδια ποσότητα, καθιστώντας τη μετατόπιση μη ανιχνεύσιμη.

Ο οδικός χάρτης BIPM απαιτεί έναν αριθμό διασταυρωτικών ελέγχων, συμπεριλαμβανομένης της επίτευξης της απαιτούμενης ακρίβειας με ρολόγια σε διαφορετικά εργαστήρια. Ένας άλλος έλεγχος περιλαμβάνει τη σύγκριση του χτυπήματος διαφορετικών τύπων ατομικών ρολογιών. Οι επιστήμονες του NIST και οι συνάδελφοί του στο JILA, ένα ερευνητικό ινστιτούτο στο Boulder, κάνουν ακριβώς αυτό, συγκρίνοντας τα ρολόγια υττερβίου με άλλα που βασίζονται σε άτομα στροντίου και ιόντα αλουμινίου. Ο Ludlow λέει ότι οι μετρήσεις δεν απέχουν πολύ από την επιθυμητή ακρίβεια και ότι μόλις τελειώσουν μπορούν να συγκρίνουν τα αποτελέσματά τους με εργαστήρια στην Ευρώπη ή την Ασία.

Ένα ζήτημα που δεν αντιμετωπίζει ο οδικός χάρτης, λέει ο Ludlow, είναι πώς να επιλέξουμε ποια ατομική μετάβαση -και επομένως τύπος ρολογιού- θα ορίσει τελικά τη δεύτερη. Προτιμά ρολόγια κατασκευασμένα από πλέγματα ουδέτερων ατόμων επειδή χρειάζονται μόνο λίγες ώρες πριν φτάσουν στην δηλωμένη ακρίβειά τους, ενώ αντίπαλες συσκευές κατασκευασμένες από μεμονωμένα παγιδευμένα ιόντα μπορεί να χρειαστούν εβδομάδες για να το κάνουν. Αλλά αναγνωρίζει ότι η κριτική επιτροπή είναι ακόμα εκτός. "Τα ρολόγια ιόντων έχουν κάνει μεγάλες προόδους την τελευταία δεκαετία και συνεχίζουν να βελτιώνονται", λέει.

Ο Πάτρικ Γκιλ, ένας φυσικός λέιζερ στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής στο Τέντινγκτον του Ηνωμένου Βασιλείου, λέει ότι η μετάβαση στα οπτικά ρολόγια δεν θα πρέπει να συμβεί ενώ όλα βελτιώνονται τόσο γρήγορα. Λέει ότι οι αξιωματούχοι ενδέχεται να συμφωνήσουν σε έναν νέο ορισμό όταν ο κορυφαίος μετρολογικός οργανισμός του κόσμου —η Γενική Διάσκεψη για τα Βάρη και τα Μέτρα— συνεδριάσει το 2026. (Ο οργανισμός συνέρχεται κάθε 4 χρόνια και φέτος αναμένεται να εγκρίνει νέους ορισμούς για τέσσερις άλλες μετρικές βάσεις μονάδες:το κιλό, το αμπέρ, το kelvin και το mole.)

Ο Ekkehard Peik, επικεφαλής της ομάδας ώρας και συχνότητας στο Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας της Γερμανίας στο Μπράουνσβαϊγκ, είναι ακόμα πιο προσεκτικός. Υποστηρίζοντας ότι τα ρολόγια καισίου είναι αρκετά ακριβή για τις σημερινές εφαρμογές, λέει ότι ένας επαναπροσδιορισμός μπορεί πιθανότατα να περιμένει μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2030, προσφέροντας περισσότερο χρόνο στους επιστήμονες να το κάνουν με ανταγωνιστικά ρολόγια. Τέτοιος ανταγωνισμός, λέει, «είναι που οδηγεί επίσης στην πρόοδο και δεν πρέπει να τη φοβόμαστε».