Ατομική ακρίβεια

Ολοι θυμόμαστε το ρολόι τοίχου της γιαγιάς, το οποίο έπρεπε να κουρδίζουμε ανά τακτά χρονικά διαστήματα για να συνεχίζει να «κρατάει» την ώρα. Ισως μάλιστα να θυμάστε ότι ύστερα από κάποιους μήνες λειτουργίας έπρεπε να μετακινήσουμε τον λεπτοδείκτη λίγο πιο μπροστά, αφού το ρολόι είχε «χάσει» κάποια λεπτά. Αντίθετα, το πιο σύγχρονο ατομικό ρολόι είναι κάπως… πιο ακριβές: αν αυτό ξεκινούσε να δουλεύει τη στιγμή του Big Bang, θα είχε χάσει περίπου δέκα δευτερόλεπτα μέχρι σήμερα! Πρόσφατα επιστήμονες του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης με δημοσίευση στην επιστημονική επιθεώρηση «Nature» παρουσίασαν ένα ατομικό ρολόι ακόμη μεγαλύτερης ακριβείας, του οποίου η λειτουργία βασίζεται σε ένα φαινόμενο της κβαντικής φυσικής. Ασχημα τα νέα για το ρολόι της γιαγιάς, υπέροχα τα νέα για τους θεωρητικούς φυσικούς αλλά και για τις τηλεπικοινωνίες! Ας δούμε με περισσότερες λεπτομέρειες το νέο αυτό επίτευγμα της επιστήμης.

Η λειτουργία των
ατομικών ρολογιών

Κάθε ρολόι για να λειτουργήσει χρειάζεται να μετράει ένα μέγεθος το οποίο μεταβάλλεται περιοδικά, δηλαδή κάτι που επαναλαμβάνεται ανά συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Ετσι, το ρολόι τοίχου της γιαγιάς μετράει ένα δευτερόλεπτο για κάθε πλήρη ταλάντωση (ένα «πήγαινε» κι ένα «έλα») του εκκρεμούς. Το ατομικό ρολόι κρατάει τον ρυθμό του χάρη στα περιοδικά κύματα μιας συχνότητας, η οποία «κουρδίζεται» αδιάλειπτα από ένα νέφος ατόμων του χημικού στοιχείου καίσιο. Τα άτομα αυτά μπορούν να υπάρξουν είτε σε κατάσταση ηρεμίας είτε σε διεγερμένη κατάσταση. Καθεμία από αυτές τις καταστάσεις έχει διαφορετική ενέργεια. Κάθε άτομο μπορεί να μεταβεί στη διεγερμένη κατάσταση όταν δεχθεί ένα απολύτως καθορισμένο ποσό ενέργειας. Ετσι, στο εσωτερικό του ατομικού ρολογιού ένα λέιζερ ακτινοβολεί τα άτομα σε μια συγκεκριμένη συχνότητα έτσι ώστε αυτά να μεταβούν σε διεγερμένη κατάσταση. Με ένα σύστημα μαγνητών αυτά κατευθύνονται σε έναν ανιχνευτή, ο οποίος εντοπίζει πόσα άτομα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση. Ο ανιχνευτής αυτός συνδέεται με το σύστημα λέιζερ και προσαρμόζει τη συχνότητα της ακτινοβολίας ανάλογα με τον αριθμό των διεγερμένων ατόμων που καταμετρά. Εάν η συχνότητα με την οποία ακτινοβολούνται τα άτομα μειωθεί έστω και ελάχιστα, τότε λιγότερα άτομα μεταβαίνουν στη διεγερμένη κατάσταση. Ο ανιχνευτής αντιλαμβάνεται αμέσως αυτή τη διαφορά και δίνει την εντολή να αυξηθεί εκ νέου η συχνότητα για να βρίσκονται όσα άτομα πρέπει σε διεγερμένη κατάσταση. Η συχνότητα αυτή, η οποία αυτορρυθμίζεται με εξαιρετική ακρίβεια μέσω του πολύπλοκου αυτού συστήματος, προσφέρει στον «χτύπο» του ατομικού ρολογιού τη μοναδική του ακρίβεια.

Ακόμη πιο
μεγάλη ακρίβεια

Στο σύστημα αυτό όμως υπάρχει μια αχίλλειος πτέρνα: Ο ανιχνευτής θα πρέπει να καταμετρά ένα προς ένα τα άτομα τα οποία βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση. Αυτό, για την κλίμακα του ατομικού ρολογιού, δημιουργεί μια υστέρηση. Με ποιον τρόπο θα μπορούσε ο ανιχνευτής να μετρήσει ταυτόχρονα πολλά άτομα που βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση; Μέσω της κβαντικής διεμπλοκής, απάντησαν οι επιστήμονες, ένα φαινόμενο κατά το οποίο δύο άτομα σχετίζονται μεταξύ τους με τέτοιον τρόπο ώστε όταν αλλάξουν οι ιδιότητες του ενός να αλλάζουν και του άλλου. «Τα προηγούμενα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούν νέφη ανεξάρτητων ατόμων», σημειώνει στο BHMA-Science ο καθηγητής Φυσικής και επικεφαλής της δημοσίευσης Βλαντάν Βουλέτικ, συμπληρώνοντας ότι «σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, υπάρχει ένα αποτέλεσμα ψηφιακού τύπου όταν οι ιδιότητες του ατόμου μετρώνται από τον ανιχνευτή». Οπως εξηγεί ο ίδιος, είναι σαν να ρίχνεις ένα κέρμα – μπορεί ένα άτομο να βρεθεί σε διεγερμένη κατάσταση ή σε κατάσταση ηρεμίας, ή αλλιώς να τύχει κορόνα ή γράμματα. Για κάθε άτομο το αποτέλεσμα είναι ανεξάρτητο, κάτι που δυσκολεύει τον ανιχνευτή στην καταμέτρηση των ατόμων που βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση. «Το δικό μας ρολόι χρησιμοποιεί την κβαντική συσχέτιση μεταξύ των ατόμων, η οποία ονομάζεται επίσης κβαντική διεμπλοκή. Στο παράδειγμα με το κέρμα, αυτό το φαινόμενο κάνει το αποτέλεσμα της ριξιάς για τα διαφορετικά άτομα να σχετίζεται. Δηλαδή εάν ένα κέρμα δείξει κορόνα, το άλλο θα δείξει παραδείγματος χάριν γράμματα, κι αυτό μειώνει τον αριθμό των μετρήσεων τον οποίο χρειάζεται κανείς για να προσδιορίσει με ακρίβεια την ώρα».

Αναζητώντας απαντήσεις
σε διαχρονικά ερωτήματα

Χρησιμοποιώντας το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής στα ατομικά ρολόγια, μπορούν να δοκιμαστούν υποθέσεις οι οποίες απαιτούν εξαιρετική ακρίβεια χρόνου. Μια από αυτές αφορά την ύπαρξη σκοτεινής ύλης. «Κάποια από τα μοντέλα τα οποία προτείνονται για τη σκοτεινή ύλη συνάγουν ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να μετατοπίσει τα επίπεδα της ενέργειας των ατόμων. Αυτό θα μπορούσε να ανιχνευτεί από πολύ ακριβείς μετρήσεις του χρόνου, όταν κάποιος συγκρίνει δύο διαφορετικά ρολόγια. Αντιστρόφως, εάν κανείς βρει ότι δύο διαφορετικά ρολόγια μετρούν την ώρα με ακριβώς τον ίδιο τρόπο, μπορεί να αποκλείσει κάποια μοντέλα που έχουν προταθεί για τη σκοτεινή ύλη» σημειώνει ο καθηγητής. Οπως επισημαίνει ο ίδιος, σε αυτή την κατεύθυνση θα κινηθούν και οι έρευνες της ομάδας στο μέλλον. «Θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τα ρολόγια αυτά στη διερεύνηση θεμελιωδών ερωτημάτων της φύσης, όπως παραδείγματος χάριν την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης ή εάν η μέτρηση του χρόνου μεταξύ δύο ρολογιών αλλάζει καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται. Θα θέλαμε επίσης να ελέγξουμε εάν οι σταθερές, όπως είθισται να αποκαλούνται, της Φυσικής (όπως παραδείγματος χάριν η ταχύτητα του φωτός) είναι πραγματικά σταθερές στη χρονική κοσμική κλίμακα, ότι μπορούν δηλαδή να προσδιοριστούν από πολύ ακριβείς μετρήσεις του χρόνου. Τέλος, θα θέλαμε να επαληθεύσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια την πρόβλεψη του Αϊνστάιν ότι ο χρόνος επιβραδύνεται σε ένα βαρυτικό πεδίο. Οτι δηλαδή, εάν κανείς ανασηκώσει κατά ένα εκατοστό ένα ρολόι στο βαρυτικό πεδίο της Γης, σε σχέση με ένα δεύτερο ρολόι που μένει στη θέση του, τα δύο ρολόγια θα λειτουργούν σε ελαφρώς διαφορετική ταχύτητα». Αν λοιπόν εμείς συνεχίσουμε να χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητά μας ρολόγια μικρότερης ακριβείας, τα ατομικά ρολόγια μπορούν να απαντήσουν σε θεμελιώδη ερωτήματα τα οποία απασχολούν επί δεκαετίες την ανθρωπότητα.

Το πρώτο ατομικό ρολόι καισίου δημιουργήθηκε το 1955

Αν και η ιδέα να χρησιμοποιούνται άτομα για τη μέτρηση του χρόνου διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1879 από τον λόρδο Κέλβιν, το πρώτο ατομικό ρολόι καισίου δημιουργήθηκε το 1955 από τους Λούις Εσεν και Τζακ Πάρι στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής της Αγγλίας. Το 1967 το δευτερόλεπτο ορίστηκε επίσημα ως προς τις ενεργειακές μεταπτώσεις ενός ατόμου του στοιχείου καίσιο.

Εφαρμογές στην καθημερινότητα

Τα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούνται σε ένα πλήθος τεχνολογικών εφαρμογών, με το χαρακτηριστικότερο να είναι το Παγκόσμιο Σύστημα Στιγματοθέτησης, ή αλλιώς το γνωστό μας GPS. Υπάρχουν διάφορα συστήματα στιγματοθέτησης τα οποία προσδιορίζουν την ώρα μέσω ατομικών ρολογιών τα οποία βρίσκονται σε διαφορετικούς τεχνητούς δορυφόρους της Γης. Η τελική ώρα η οποία χρησιμοποιείται στο κάθε σύστημα αποτελεί τον μέσο όρο της ώρας που υποδεικνύουν τα διαφορετικά ατομικά ρολόγια. Η σημασία της ακριβούς ώρας για τα συστήματα GPS είναι τεράστια, αφού κάθε λήπτης GPS υπολογίζει την απόσταση από το δορυφόρο με βάση τον χρόνο ο οποίος απαιτείται για να φτάσει ένα σήμα από τον δορυφόρο στον λήπτη. Η ανάπτυξη των ατομικών ρολογιών είναι πολύτιμη επίσης για τις διαστημικές αποστολές αλλά και για ερευνητικά πεδία όπως η ραδιοαστρονομία, η οποία μελετά τα ουράνια σώματα με τη χρήση ραδιοτηλεσκοπίων.