Sukurtas tiksliausias laikrodis istorijoje – sekundę suklystų tik per daugiau nei 260 mlrd. metų

Sekite TechNaujienos Google

Fizikai pristatė tiksliausią iki šiol sukurtą laikrodį. Lutecio jonais paremtas optinis laikrodis yra toks stabilus, kad teoriškai jam prireiktų daugiau nei 260 mlrd. metų, kad suklystų viena sekunde.

Apie rekordą pranešė „Nature“. Sistemą sukūrė Singapūro nacionalinio universiteto Kvantinių technologijų centro tyrėjai. Naujasis laikrodis maždaug keturis kartus tikslesnis už ankstesnį rekordą.

Kam reikia tokio absurdiško tikslumo?

Atominiai laikrodžiai yra GPS ir telekomunikacijų infrastruktūros pagrindas, tačiau naujos kartos optiniai laikrodžiai gali būti naudojami ir fundamentinei fizikai. Jų tikslumas toks didelis, kad galima matuoti net labai mažus gravitacinio lauko skirtumus.

Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją laikrodžiai skirtingame gravitaciniame lauke tiksi nežymiai skirtingu tempu. Ypač tikslūs laikrodžiai todėl gali veikti kaip jautrūs gravitacijos jutikliai.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 3 minutės

Europa stato nuosavą debesiją palydovų duomenims – nenori priklausyti nuo JAV technologijų milžinų

4 min. skaitymo • prieš 18 minučių

Europa kuria „mąstančių“ palydovų spiečių – jie tarpusavyje naudos DI dar orbitoje

4 min. skaitymo • prieš 33 minutės

ESA pradeda naujos kartos palydovų atranką – trys misijos tirs Žemę visiškai naujais būdais

Visi naujausi straipsniai →

Gali būti perrašytas sekundės apibrėžimas

Dabartinė sekundė apibrėžiama pagal cezio atomų mikrobanginį perėjimą. Optiniai laikrodžiai jau pasiekė didesnį tikslumą, todėl metrologijos institucijos ruošiasi ateityje sekundę apibrėžti iš naujo.

260 mlrd. metų skaičius geriausiai parodo mastą, tačiau praktiškai mokslininkams svarbesnis ne vien ilgalaikis „sekundės praradimas“, o laikrodžio stabilumas per daug trumpesnius intervalus. Kuo stabilesnis signalas, tuo tiksliau galima palyginti du laikrodžius skirtingose laboratorijose ir aptikti labai mažus fizinius efektus.

Optiniai laikrodžiai naudoja daug aukštesnio dažnio atominius perėjimus nei dabartinis cezio standartas. Paprastai tariant, per sekundę galima suskaičiuoti daug daugiau „tiksėjimų“, todėl potencialus laiko matavimo tikslumas padidėja. Tačiau tam reikia itin stabilių lazerių, vakuumo ir sudėtingos kvantinės kontrolės.

Vienas įspūdingiausių pritaikymų yra reliatyvistinė geodezija. Pagal Einsteino teoriją laikas teka šiek tiek lėčiau stipresniame gravitaciniame lauke. Pakankamai tikslūs laikrodžiai gali aptikti net nedidelį aukščio skirtumą, todėl ateityje juos galima būtų naudoti gravitacinio potencialo žemėlapiams ar Žemės masės pokyčiams matuoti.

Toks jautrumas aktualus ir fundamentinei fizikai. Jei pagrindinės konstantos labai lėtai kistų arba egzistuotų dar nežinomi fizikiniai laukų efektai, skirtingų atominių laikrodžių palyginimas galėtų atskleisti mažyčius neatitikimus.

Vis dėlto rekordas laboratorijoje dar nėra naujas pasaulinis laiko standartas. Metrologijos bendruomenei reikia, kad skirtingos laboratorijos galėtų atkurti panašų tikslumą ir patikimai palyginti sistemas. Tik tada galima rimtai keisti oficialų sekundės apibrėžimą. Todėl dabartinis rezultatas yra ne finišas, o dar vienas žingsnis link optinių laikrodžių eros.

Technologiškai tokie laikrodžiai gali turėti poveikį ir navigacijai bei ryšiams. Dabartinės palydovinės sistemos jau remiasi labai tiksliais laikrodžiais, nes net maža laiko paklaida virsta padėties paklaida. Nors laboratorinis optinis laikrodis dar per sudėtingas masinei palydovų sistemai, ilgainiui miniatiūrizacija gali perkelti dalį šių technologijų į praktinius įrenginius.

Taip pat svarbus laikrodžių tinklų palyginimas per optinius šviesolaidžio ryšius ar palydovines jungtis. Jei skirtingos laboratorijos gali palyginti savo laikrodžius 10^-18 ar dar geresniu lygiu, atsiranda galimybė kurti itin tikslų pasaulinį laiko ir gravitacinio potencialo žemėlapį.

Rekordiniai laikrodžiai dar gali padėti tikrinti, ar gravitacija ir kvantinė fizika elgiasi taip, kaip prognozuoja dabartinės teorijos. Kuo tiksliau matuojame laiką, tuo mažesnius nukrypimus galime aptikti. Net jei rezultatas visiškai sutampa su teorija, tai vis tiek svarbu, nes susiaurina erdvę alternatyviems fizikos modeliams. Tokiu būdu metrologija tampa ne vien praktiniu laiko matavimu, bet ir fundamentinės fizikos eksperimentu.

Optinių laikrodžių varžybos vyksta ne vien tarp skirtingų atomų rūšių, bet ir tarp skirtingų architektūrų. Vienos laboratorijos naudoja pavienius jonus, kitos – optinėse gardelėse laikomas atomų grupes. Pavienis jonas suteikia labai švarią kvantinę sistemą, o didesnis atomų skaičius gali pagerinti statistinį signalą. Kiekvienas metodas turi savų kompromisų tarp stabilumo, kontrolės ir sudėtingumo.

Dar vienas praktinis iššūkis yra laikrodžių palyginimas per didelius atstumus. Jei laboratorijos skirtingose šalyse turi itin tikslius laikrodžius, joms reikia optinių skaidulų ar palydovinių metodų, kurie patys nepridėtų didesnės paklaidos nei matuojamas efektas. Todėl pažanga laiko metrologijoje priklauso ne vien nuo paties laikrodžio, bet ir nuo tarptautinių palyginimo tinklų.

Daugiau kvantinės fizikos naujienų rasite TechNaujienos.lt.