Czas to jedno z najbardziej fundamentalnych zagadnień fizyki. Jego precyzyjne mierzenie może pomóc nam dotrzeć na Marsa, a nawet obserwować ciemną materię. Teraz fizycy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii USA (NIST) oraz Uniwersytetu Delaware stworzyli najdokładniejszy zegar atomowy na świecie, wykorzystując „sieć” światła do uwięzienia i wzbudzenia chmury zimnych atomów strontu.

„Ten zegar jest tak precyzyjny, że może wykrywać niewielkie efekty przewidziane przez teorie, takie jak ogólna teoria względności, nawet na mikroskopijną skalę,” mówi Jun Ye, fizyk z laboratorium JILA przy Uniwersytecie Kolorado.

Z całkowitą systematyczną dokładnością wynoszącą 8,1 x 10^-19, zegar strontowy jest dwukrotnie dokładniejszy i bardziej precyzyjny niż poprzedni rekordzista.

NIST jest miejscem, gdzie naukowcy pracują nad technologiami zwiększającymi dokładność międzynarodowych standardów miar, takich jak sekunda. Podczas gdy jednostki masy mogą być reprezentowane przez blok materiału, czas nie ma takiej stałej fizycznej właściwości. Zamiast tego polegamy na wzorcach, które powtarzają się w przewidywalny sposób, takich jak obrót Ziemi, ruch wahadła lub drgania kwarcu.

Jednym z takich wzorców jest drganie wzbudzonych elektronów otaczających atom. Standardowa sekunda jest definiowana przez „skakanie” konkretnych elektronów orbitujących atom cezu. Pobudzone przez mikrofale o określonej częstotliwości, skaczą do wyższych stanów energetycznych i z powrotem 9 192 631 770 razy na sekundę.

Zegary atomowe, które wzbudzają atomy lub jony za pomocą światła o krótszej długości fali niż mikrofale, stały się wiodące w dziedzinie stabilności i dokładności. Nowy zegar atomowy, stworzony przez fizyka JILA Alexandra Aeppli i jego współpracowników, jest znacznie bardziej precyzyjny niż poprzednie najlepsze zegary optyczne.

W swojej jednowymiarowej „sieci” światła zegar uwięził dziesiątki tysięcy atomów strontu, oferując wyższy poziom precyzji. Działając w ultrawysokiej próżni na cienkiej warstwie superzimnych atomów strontu, minimalizuje błędy, redukując destabilizujące efekty zderzeń laserów i atomów.

Dzięki tej precyzji zegar ma tracić tylko jedną sekundę co 30 miliardów lat – co może pomóc podróżnikom kosmicznym utrzymać precyzyjne odliczanie czasu na ogromnych odległościach.

„Jeśli chcemy precyzyjnie wylądować statkiem kosmicznym na Marsie, potrzebujemy zegarów, które są rzędy wielkości bardziej precyzyjne niż te, które mamy dziś w GPS,” mówi Ye. „Ten nowy zegar to duży krok w kierunku osiągnięcia tego celu.”

Coraz bardziej precyzyjne zegary mogą również rejestrować niewielkie odchylenia w oscylacjach atomów, które mogą sygnalizować słabe interakcje z ciemną materią lub relatywistyczne oddziaływania grawitacyjne.

Źródło: Science Alert