Με τη βοήθεια του ορατού φωτός νέα οπτικά ατομικά ρολόγια γίνονται τόσο ακριβείας που αν υπήρχαν στην εποχή της εξαφάνισης των δεινοσαύρων δεν θα είχαν χάσει ούτε και ένα τέταρτο του δευτερολέπτου. Αλλά τα ρολόγια αυτά κάνουν περισσότερα από την απλή μέτρηση του χρόνου. Θα μπορούσαν να λύσουν και μερικά από τα χρονίζοντα μυστήρια, όπως ο τρόπος που αλληλεπιδρούν ο χώρος και ο χρόνος.
Το πρότυπο ατομικό ρολόι που έχουμε τώρα για να μετράει τον χρόνο χρησιμοποιεί μικροκύματα και άτομα είτε του καισίου ή του ρουβιδίου. Αυτά τα ρολόγια έχαναν μόλις έναν δευτερόλεπτο κάθε 100 εκατομμύρια χρόνια. Το πρώτο ατομικό ρολόι δημιουργήθηκε το 1955 και έκτοτε η σχετική τεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί για τα πρότυπα μέτρησης του εθνικού χρόνου ανά τον κόσμο.
Μετά ήρθαν τα ρολόγια με βάση τον υδράργυρο που έχανε 1 δευτερόλεπτο κάθε 1.7 δισ. χρόνια. Όμως με τα λέιζερ, οι επιστήμονες έχουν θέσει νέα στάνταρτ για την ακρίβεια. Έτσι, ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) έχουν αναπτύξει ένα οπτικό ρολόι με βάση άτομα αργιλίου που είναι διπλάσιας ακριβείας από το ρολόι με τον υδράργυρο, δηλαδή χάνει μόλις ένα δευτερόλεπτο ανά 3.7 δισεκατομμύριο χρόνια. Ή για να το πούμε διαφορετικά αν είχε αρχίσει να χτυπάει αμέσως μετά το Big Bang, πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, θα είχε χάσει μέχρι σήμερα γύρω στα τέσσερα δευτερόλεπτα.
Έχοντας οι επιστήμονες τελειοποιήσει τους μηχανισμούς που μετρούν τον χρόνο δεν θα χρησιμοποιηθούν μόνο για τη βελτίωση του συστήματος GPS. Στο GPS θα κάνει εντοπισμούς αντικειμένων σε ακτίνα ενός μέτρου πάνω στην επιφάνεια της Γης, έναντι δέκα μέτρων με την υπάρχουσα τεχνολογία. Αλλά η επόμενη γενιά των ρολογιών μπορεί να είναι τόσο ακριβής ώστε να ανιχνεύσει λεπτές αλλαγές στο πεδίο βαρύτητας της Γης, βοηθώντας έτσι τους επιστήμονες να την χαρτογραφήσουν με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Τα οπτικά ατομικά ρολόγια θα μπορούν, επίσης, να είναι σε θέση να πληροφορήσουν τους επιστήμονες σχετικά με τις διακυμάνσεις στο χώρο και το χρόνο, ανοίγοντας με αυτό τον τρόπο νέες συναρπαστικές προοπτικές στην κοσμολογία και τη φυσική.
Το οπτικό ρολόι έχει τρεις βασικές συνιστώσες. Το πρώτο είναι μια ιδιαίτερα σταθερή οπτική συχνότητα "αναφοράς" σε ένα άτομο ή σε ένα ιόν. Το δεύτερο στοιχείο είναι ένα σύστημα ανάδρασης που "κλειδώνει" το σήμα εξόδου ενός λέιζερ (που ονομάζεται τοπικός ταλαντωτής) με τη συχνότητα αναφοράς. Η τρίτη συνιστώσα προσφέρει μια πολύ ακριβή μέτρηση της συχνότητας των λέιζερ – συνήθως ακριβείας 1 femtosecond (10-15 second).
Το πιο σημαντικό στοιχείο, ωστόσο, είναι το ίδιο το άτομο ή το ιόν – το οποίο πρέπει να απορροφά το φως σε ένα εξαιρετικά στενό και εξαιρετικά σταθερό εύρος συχνοτήτων. Για να εξασφαλιστεί αυτό, το άτομο ή το ιόν είναι απομονωμένο μέσα σε ένα θάλαμο κενού και ψύχεται κοντά στο απόλυτο μηδέν, χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ – ώστε το φως να απορροφάται και να επανεκπέμπεται από το ιόν με τέτοιο τρόπο ώστε να μειώνεται στο μηδέν σχεδόν η κινητική ενέργεια του.
Τα ιόντα αργιλίου είναι σχετικά εύκολο να απομονωθούν από το περιβάλλον τους – ιδιαίτερα από τις επιπτώσεις της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος από τον γύρω θάλαμο. Δυστυχώς, τα ιόντα αργιλίου είναι πολύ δύσκολο να ψυχθούν με φως λέιζερ, επειδή εκπέμπουν εκ νέου την ακτινοβολία που απορροφάται σε πολύ χαμηλότερη συχνότητα. Έτσι είναι δύσκολο να σχεδιάσουν οι μηχανικοί ένα μηχανισμό ανάδρασης για να κρατήσει το λέιζερ κλειδωμένο στη συχνότητα αναφοράς.
Οι James Chin-Wen Chou και David Wineland μαζί με τους συνεργάτες τους στο NIST στο Κολοράντο αντιμετώπισαν αυτό το πρόβλημα ζευγαρώνοντας το αργίλιο με ένα δεύτερο ιόν μαγνησίου, το οποίο είναι εύκολο να ψυχθεί. Η ομάδα ξεκινά από την παγίδευση των ιόντων μαγνησίου χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία και στη συνέχεια το ψύχουν χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ. Εισάγουν τότε το ιόν αργιλίου στο θάλαμο, που αλληλεπιδρά με το μαγνήσιο μέσω ηλεκτρικών δυνάμεων. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επιτρέπουν στην ερευνητική ομάδα να ψύξουν τα ιόντα αργιλίου με "συμπαθητική ψύξη".
Ο Patrick Gill του Εθνικού Εργαστηρίου Φυσικής στην Βρετανία (NPL), έχει εντυπωσιαστεί από το νέο ρολόι. “Είναι μια πολύ καλή διαφήμιση της ικανότητας της σημερινής τεχνικής."
Ο Chou δήλωσε ότι η ομάδα του ελπίζει να μειώσει τις αβεβαιότητες της συχνότητας στη συσκευή με την ανάπτυξη νέων τύπων οπτικών παγίδων. Οι φυσικοί εργάζονται, επίσης, για νέα συστήματα ώστε να σταθεροποιηθεί και η συχνότητα του λέιζερ.
Δεν αποκλείεται τελικά το νέο ρολόι, κάποια στιγμή, να αντικαταστήσει τα ατομικά ρολόγια ως τους επίσημους «φύλακες» του γήινου χρόνου. Πάντως ο ίδιος ο James Chin-wen Chou δέχεται ότι θα χρειαστεί ακόμα αρκετός χρόνος για να υιοθετηθεί ένα τέτοιο οπτικό ρολόι ως το επόμενο πρότυπο για την διεθνή ώρα.
Άλλες επιστημονικές ομάδες μελετούν εναλλακτικά οπτικά ρολόγια με την χρήση πιο εξωτικών ιόντων, όπως του υττερβίου και του ινδίου. Παραμένει ακόμα ασαφές ποιο από όλα αυτά τα ρολόγια τελικά θα επικρατήσει για το επόμενο πρότυπο μέτρησης του χρόνου, αντικαθιστώντας τα ατομικά ρολόγια.
Πηγή: PhysicsWorld
Leave a Comment