Ατομικό ρολόι υπόσχεται να δώσει νέο ορισμό στον χρόνο

Πόσο διαρκεί ένα δευτερόλεπτο; Η επιστήμη ορίζει σήμερα αυτό το χρονικό διάστημα με βάση τις ταλαντώσεις ατόμων στα λεγόμενα ατομικά ρολόγια... Ο ορισμός θα μπορούσε όμως να βελτιωθεί χάρη σε ένα νέο είδος ατομικού ρολογιού, το ρολόι «οπτικού πλέγματος», το οποίο θα είχε χάσει μόλις 0,2 δευτερόλεπτα αν λειτουργούσε από την εποχή των δεινοσαύρων μέχρι σήμερα. Η αλήθεια είναι ότι το δευτερόλεπτο δεν ήταν πάντα αυτό που είναι σήμερα: Mέχρι το 1960, οριζόταν με βάση την περιστροφή της Γης -δηλαδή ως κλάσμα της διάρκειας ενός 24ωρου. 

Για λόγους ακρίβειας, όμως, οι φυσικοί προτιμούν να ορίζουν το δευτερόλεπτο, και γενικά όλες τις μονάδες μέτρησης, με βάση φυσικές σταθερές.

Ο ορισμός του δευτερολέπτου από το 1967

Αυτό έγινε με το δευτερόλεπτο το 1967. Από εκείνη τη χρονιά, το ένα second ορίζεται με βάση τις ταλαντώσεις των ατόμων στο ατομικό ρολόι. Συγκεκριμένα, ένα δευτερόλεπτο ισούται με τη διάρκεια 9.192.631.770 ταλαντώσεων της ακτινοβολίας που εκπέμπεται ή απορροφάται όταν ένα άτομο καισίου-133 μεταπηδά ανάμεσα σε δύο ενεργειακές καταστάσεις.

Ο ορισμός ακούγεται περίπλοκος, προσφέρει όμως την ακρίβεια που απαιτείται σήμερα σε πολλές εφαρμογές -ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούνται σήμερα στους δορυφόρους του GPS και στις χρηματαγορές, μεταξύ άλλων.

Τα σημερινά ατομικά ρολόγια βομβαρδίζουν άτομα καισίου με μικροκύματα και μετρούν τις ταλαντώσεις τους. Χάνουν έτσι μόλις ένα δευτερόλεπτο ανά 100 εκατομμύρια χρόνια.

Τώρα, όμως, ερευνητές του Παρατηρητηρίου του Παρισιού δείχνουν με τα πειράματά τους ότι τα λεγόμενα ρολόγια οπτικού πλέγματος, μια νεότερη μορφή ατομικού ρολογιού, θα αύξαναν την ακρίβεια στο ένα δευτερόλεπτο ανά 300 εκατομμύρια χρόνια.

Η οπτική «αβγοθήκη»

Στα νέα ρολόγια τα άτομα καισίου αντικαθίστανται από 10.000 άτομα στροντίου-87, τα οποία διατηρούνται παγιδευμένα σε ένα οπτικό πλέγμα -κάτι σαν οπτική «αβγοθήκη» μέσα στην οποία μπαίνουν άτομα. Επιπλέον, τα μικροκύματα των συμβατικών ατομικών ρολογιών αντικαθίστανται με ορατό φως, το οποίο έχει χιλιάδες φορές μεγαλύτερη συχνότητα.

«Στα δικά μας ρολόγια χρησιμοποιούμε δέσμες λέιζερ [ορατού φωτός]. Οι ακτίνες λέιζερ ταλαντώνονται πολύ ταχύτερα από ό,τι η μικροκυματική ακτινοβολία. Κατά κάποιο τρόπο χωρίζουμε τον χρόνο σε πολύ μικρότερα διαστήματα ώστε να τον μετράμε με μεγαλύτερη ακρίβεια» εξηγεί ο Ζερόμ Λοντεβίκ, επικεφαλής της έρευνας που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Communications».

Το πείραμα της ακρίβειας

Προκειμένου όμως να χρησιμοποιηθεί το ρολόι οπτικού πλέγματος για τον ορισμό του δευτερολέπτου, οι ερευνητές έπρεπε να δείξουν ότι δύο τέτοια πανομοιότυπα οπτικά ρολόγια δείχνουν πάντα την ίδια ώρα. Πράγματι, ο Λοντεβίκ και οι συνεργάτες του συνέκριναν δύο ρολόγια στροντίου και δεν βρήκαν μετρήσιμες αποκλίσεις.

Θα χρειαστούν πάντως περαιτέρω δοκιμές πριν ξεκινήσει η συζήτηση για την αλλαγή του ορισμού του δευτερολέπτου -μια τέτοια απόφαση, εξάλλου, θα έπρεπε να ληφθεί σε διεθνές επίπεδο.

Στο μεταξύ, η τεχνολογία βελτιώνεται. Ανεξάρτητοι επιστήμονες έχουν παρουσιάσει ένα άλλο είδος ατομικού ρολογιού, το οποίο μετρά τις ταλαντώσεις μεμονωμένων ιόντων. Αυτό το ρολόι ιόντων είναι πιο ακριβές από τα ρολόγια οπτικού πλέγματος. Επειδή όμως μετρά ένα και μόνο άτομο, οι μετρήσεις του δεν είναι τόσο στατιστικά αξιόπιστες.

Πηγή