Το ακριβέστερο ατομικό ρολόι

Posted on 23/01/2014

1


Ένα πειραματικό ατομικό ρολόι στροντίου πέτυχε νέα παγκόσμια ρεκόρ ακρίβειας και σταθερότητας στη μέτρηση του χρόνου, καθώς δεν χάνει ούτε ένα δευτερόλεπτο στα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, αν υποτεθεί ότι θα μπορούσε να διαρκέσει τόσο πολύ.

strontium_clock_LR

Tο ατομικό ρολόι στροντίου δεν πάει «πίσω» (ή «μπροστά») ούτε ένα δευτερόλεπτο στα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια (η Γη έχει ηλικία 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια).

Το ρολόι στροντίου είναι κατά περίπου 50% πιο ακριβές από τον έως τώρα κάτοχο του παγκόσμιου ρεκόρ ακρίβειας, ένα ρολόι κβαντικής λογικής, και δημιουργήθηκε από ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) των ΗΠΑ και του πανεπιστημίου του Κολοράντο, με επικεφαλής τον καθηγητή φυσικής Τζουν Γε, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Nature»(http://arxiv.org/abs/1309.1137)

Από άποψη σταθερότητας -δηλαδή κατά πόσο η διάρκεια του «τικ» είναι ίδια με εκείνη του «τακ» που ακολουθεί- το ρολόι στροντίου είναι εξίσου σταθερό με το καλύτερο μέχρι σήμερα σε αυτό τον τομέα ατομικό ρολόι υττερβίου, που δημιουργήθηκε από το NIST τον Αύγουστο του 2013.

Προς το παρόν πάντως, σύμφωνα με τον τρέχοντα επίσημο διεθνή ορισμό των μονάδων του χρόνου, μόνο τα ατομικά ρολόγια καισίου θεωρούνται ακριβή, μολονότι τα πειραματικά ρολόγια στροντίου είναι πιο ακριβή, καθώς λειτουργούν σε οπτικές συχνότητες, που είναι πολύ ανώτερες από τις συχνότητες μικροκυμάτων που χρησιμοποιούν τα ρολόγια καισίου.

Το ρολόι στροντίου -και μερικά άλλα πειραματικά ρολόγια- λειτουργούν σε οπτικές συχνότητες, που είναι πολύ ανώτερες από τις συχνότητες μικροκυμάτων που χρησιμοποιούν τα ρολόγια καισίου. Θεωρείται θέμα χρόνου, εωσότου το ρολόι στροντίου αντικαταστήσει το ρολόι καισίου ως το νέο διεθνές πρότυπο για την μέτρηση του χρόνου.

Η ακρίβεια και η σταθερότητα είναι τα δύο βασικά κριτήρια για την απόδοση ενός ρολογιού. Το ρολόι στροντίου είναι το πρώτο που κατέχει πλέον παγκόσμιο ρεκόρ και στις δύο αυτές παραμέτρους ταυτόχρονα μετά τη δεκαετία του ’90, όταν εμφανίστηκαν τα ατομικά ρολόγια καισίου, τα οποία είχαν τότε «κάνει τη διαφορά». Όμως, κατά την τελευταία δεκαετία, η ταχύτατη επιστημονική και τεχνολογική πρόοδος στα πειραματικά ατομικά ρολόγια, τόσο στο NIST όσο και σε άλλα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο, έχουν ωθήσει πλέον την χρονομέτρηση σε νέα -αδιανόητα μέχρι πρόσφατα- επίπεδα ακρίβειας και σταθερότητας.

Στο νέο σούπερ ρολόι, λίγες χιλιάδες άτομα του χημικού στοιχείου στροντίου διατηρούνται «παγιδευμένα» σε μια στήλη που καλείται «οπτικό πλέγμα» και δημιουργείται από ισχυρό φως λέιζερ. Οι επιστήμονες καταγράφουν τα «τικ-τακ» του στροντίου (με ρυθμό 430 τρισεκατομμυρίων ανά δευτερόλεπτο), έχοντας «λούσει» τα άτομά του με το σταθερό ερυθρό φως ενός λέιζερ, το οποίο έχει την ίδια ακριβώς οπτική συχνότητα με αυτή που τα άτομα ταλαντεύονται μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων τους.

Από άποψη πρακτικών εφαρμογών, αυτά τα ατομικά ρολόγια νέας γενιάς έχουν ήδη συνεισφέρει στην επιστημονική έρευνα και αναμένεται μελλοντικά να βοηθήσουν στην ανάπτυξη καινοτομικών τεχνολογιών, όπως οι σούπερ αισθητήρες βαρύτητας, θερμοκρασίας κ.α. Επίσης, δεν είναι τυχαίο ότι η σχετική έρευνα στο NIST χρηματοδοτείται και από την Υπηρεσία Προωθημένων Αμυντικών Ερευνών (DARPA) του αμερικανικού Πενταγώνου.

ΑΠΕ-ΜΠΕ – www.nist.gov
(νεώτερη ενημέρωση 4-11-2014)

Το ακριβέστερο ρολόι του κόσμου είναι υπερβολικά ακριβές

Το πιο ακριβές ατομικό ρολόι του κόσμου δεν θα είχε χάσει ούτε δευτερόλεπτο αν λειτουργούσε από τότε που γεννήθηκε η Γη πριν από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Είναι τόσο ακριβές που καταγράφει ανεπαίσθητες μεταβολές στην ίδια τη ροή του χρόνου, μεταβολές που περιέργως θα το καθιστούσαν άχρηστο στην μέτρηση της ώρας.

Το «ρολόι οπτικού πλέγματος» που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο επηρεάζεται ακόμα και από μικρές μεταβολές της βαρύτητας, η οποία σύμφωνα με τον Αϊνστάιν μεταβάλλει το ρυθμό του χρόνου.

Αυτό σημαίνει ότι δύο ίδια ατομικά ρολόγια της νέας τεχνολογίας θα ήταν πρακτικά αδύνατο να μείνουν συγχρονισμένα για πολύ -ό,τι χειρότερο μπορεί να συμβεί σε έναν χρονομέτρη.

Με αυτά τα επίπεδα ακρίβειας «η διατήρηση μιας απόλυτης χρονικής κλίμακας στη Γη μετατρέπεται σε εφιάλτη» σχολίασε στο αμερικανικό Εθνικό Δημόσιο Ραδιόφωνο ο Γιουν Γε, μέλος της ομάδας που ανέπτυξε το ρολόι σε συνεργασία με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ.

Το νέο «ρολόι οπτικού πλέγματος» παρουσιάστηκε τον Ιανουάριο στο περιοδικό Nature ως το πιο ακριβές και πιο σταθερό ρολόι έχει κατασκευαστεί ποτέ. Εκτιμάται ότι χάνει ένα δευτερόλεπτο κάθε πέντε δισεκατομμύρια χρόνια.

Όπως όλα τα ατομικά ρολόγια, το νέο σύστημα μετρά το χρόνο παρακολουθώντας τις ταλαντώσεις ατόμων που μεταπηδούν ανάμεσα σε δύο επίπεδα ενέργειας. Η συχνότητα της ταλάντωσης είναι εξαιρετικά σταθερή και τα άτομα λειτουργούν έτσι ως μετρονόμοι.

Στην καρδιά της συσκευής βρίσκεται ένας θάλαμος κενού, μέσα στον οποίο μερικές χιλιάδες άτομα στροντίου διατηρούνται μετέωρα μέσα σε ένα πλέγμα από διασταυρούμενες δέσμες λέιζερ. Ένα διαφορετικό, κόκκινο λέιζερ αναγκάζει τα άτομα να ταλαντώνονται 430 τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, με κάθε ταλάντωση να αντιστοιχεί σε ένα «τικ» του ρολογιού.

Το πρόβλημα όμως είναι ότι ένα δευτερόλεπτο, ή ένα οποιοδήποτε κλάσμα του δευτερολέπτου, δεν έχει την ίδια διάρκεια παντού στη Γη.

Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, ο χρόνος τρέχει πιο αργά όταν η δύναμη της βαρύτητας μεγαλώνει.

Και αυτό σημαίνει ότι στην κορυφή ενός βουνού ο χρόνος κυλά πιο γρήγορα από ό,τι στη βάση του, αφού η απόσταση της κορυφής από το κέντρο της Γης είναι μεγαλύτερη και η βαρύτητα μικρότερη.

O Άινσταϊν και τα ατομικά ρολόγια στη μελέτη του εσωτερικού της Γης
Το νέο ρολόι είναι τόσο ακριβές ώστε καταγράφει την επιβράδυνση του χρόνου ακόμα και με την παραμικρή κατακόρυφη μετατόπιση. Αν κανείς το σηκώσει από το πάτωμα και το κρεμάσει στον τοίχο «ο χρόνος θα επιταχυνθεί κατά περίπου ένα μέρος στα 1016» λέει ο Δρ Γε.

Αυτές οι μεταβολές θα ήταν σημαντικό πρόβλημα για τη μέτρηση του χρόνου, η οποία απαιτεί να υπάρχουν πολλά ρολόγια απόλυτα συγχρονισμένα μεταξύ τους. Το νέο ρολόι όμως είναι τόσο ευαίσθητο ώστε θα ήταν αδύνατο να παραμείνει συγχρονισμένο με ένα άλλο ρολόι, ακόμα κι αν ήταν πανομοιότυπο.

Όπως λέει ο Γε, ο μόνος τρόπος να αξιοποιηθούν τα νέα ρολόγια στη μέτρηση του χρόνου θα ήταν να τα στείλουμε στο Διάστημα, μακριά από τις επιδράσεις της Γης.

Ακόμα όμως κι αν αυτό δεν συμβεί, η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί στη γεωλογία για τον εντοπισμό σχηματισμών του υπεδάφους που προκαλούν ανεπαίσθητες μεταβολές στη βαρύτητα, και επομένως και στο ρυθμό του χρόνου.

Είναι λοιπόν πιθανό ότι τα νέα ατομικά ρολόγια θα έχουν μια πληθώρα εφαρμογών.

Απλώς δεν θα λένε την ώρα.

Βαγγέλης Πρατικάκης – news.in.gr – www.npr.org

Ετικέτα: