Oamenii de ştiinţă vor să redefinească secunda

Toată lumea trebuie să cunoască ora. Încă din secolul al XVII-lea, atunci când inventatorul olandez Christiaan Huygens a realizat primul ceas cu pendul, oamenii s-au gândit cum ar putea măsura timpul mai precis.

Cunoaşterea orei exacte este importantă în multe domenii de activitate, de la coordonarea traficului pe căile ferate până la efectuarea tranzacțiilor pe piața de valori.

În prezent, ceasurile sunt verificate cu ajutorul unor semnale provenite de la ceasurile atomice, precum cele de la bordul sateliților care fac parte din sistemul de poziționare globală (GPS ).

Rezultatele unui studiu recent realizat de două echipe de oameni de știință din Boulder, Colorado, ar putea însemna că aceste semnale vor deveni mult mai exacte, ceea ce ne-ar permite să redefinim mai precis secunda.

De fapt, ceasurile atomice ar putea deveni atât de precise, încât am putea să măsurăm unde gravitaționale imperceptibile anterior.

O scurtă istorie a timpului

Ceasurile moderne se bazează încă pe ideea de bază a lui Huygens cu privire la oscilatorul cu rezonanță, precum un pendul, cu o lungime fixă, ​​care se va mișca întotdeauna înainte și înapoi cu aceeași frecvență sau ca un clopot care sună cu un ton specific.

Această idee a fost mult îmbunătățită în secolul al XVIII-lea de John Harrison, care și-a dat seama că oscilatoarele mai mici, cu frecvență mai mare, au rezonanțe mai stabile ceea ce înseamnă ceasuri mai fiabile şi mai precise.

Un vechi ceas cu pendul. Shutterstock/Tillottama

În zilele noastre majoritatea ceasurilor de zi cu zi folosesc o mică bucată de cristal de cuarț, în miniatură, cu o frecvență mare și o stabilitate mare.

Acest design nu s-a schimbat foarte mult, deși am reușit să facem ceasuri mai ieftine și mai reproductibile.

Diferența actuală o reprezintă modul cum verificăm sau stabilizăm ceasurile pe bază de cuarț. Până în 1955, ceasurile erau verificate pe baza unor fenomene astronomice foarte regulate, legate de Soare sau sateliţii lui Jupiter.

În prezent ceasurile sunt reglate pe baza oscilațiilor naturale din interiorul atomilor.

Ceasul atomic a fost construit, pentru prima dată, de Louis Essen. Acesta a fost folosit pentru redefinirea secundei în anul 1967, o definiție care a rămas valabilă şi în prezent.

Ceasul atomic funcționează prin numărarea frecvenței de schimbare a unei proprietăți cuantice, numită spin, în electronii din atomii de cesiu. Această rezonanță atomică naturală este atât de precisă încât putem să ne dăm seama dacă semnalul ceasului cu cristal de cuarț şi-a păstrat frecvență cu mai puțin de o parte în 10¹⁵, adică o milionime dintr-un miliard.

O secundă este definită oficial ca fiind durata a 9.192.631.770 de perioade ale radiației ce corespunde tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale ale atomului de cesiu 133 în repaus la temperatura de 0 K.

Faptul că putem produce astfel de oscilatoare stabile, cu precizie, face ca frecvența și timpul să fie cele mai precis măsurate mărimi fizice. În prezent trimitem semnale de la ceasurile atomice în întreaga lume și până în spațiu prin GPS. Oricine are un receptor GPS în telefonul său mobil are acces la un dispozitiv de măsurare a timpului uimitor de exact.

Dacă putem măsura cu precizie timpul și frecvența, atunci există tot felul de alte lucruri pe care le putem măsura cu precizie. De exemplu, măsurarea frecvenței de schimbare a spinului anumitor atomi și molecule ne poate informa despre intensitatea câmpului magnetic în care se află acestea. Astfel funcţionează şi cei mai mici senzori de câmp magnetic.

Putem face ceasuri mai bune care să ne permită să măsurăm frecvența sau timpul și mai precis?

Răspunsul ar putea fi tot cel pe care l-a găsit John Harrison: da, prin creșterea frecvenței.

Rezonanța electronică de spin în atomii de cesiu are o frecvență corespunzătoare microundelor, dar unii atomi au rezonanțe în domeniul optic al radiaţiei electromagnetice, cu o frecvență de un milion mai mare.

S-a dovedit că indicaţiile ceasurilor atomice optice sunt extrem de similare, cel puțin atunci când o pereche dintre acestea se află la doar câțiva metri distanță.

Oamenii de știință se gândesc dacă definiția internațională a secundei ar putea fi redefinită pentru a o face mai precisă. Pentru a realiza acest lucru, diferitele ceasuri optice pe care le folosim trebuie să fie de încredere, astfel încât să indice același timp, chiar dacă acestea se află în laboratoare diferite, la mii de kilometri distanță.

Până în prezent, rezultatele unor astfel de teste pe distanțe lungi nu au fost cu mult mai bune decât în cazul ceasurilor pe bază de microunde.

Ceasuri mai bune

Folosind o nouă modalitate de a interconecta ceasuri cu ajutorul unor lasere rapide, cercetătorii au arătat că diferite tipuri de ceasuri atomice optice pot fi plasate la câțiva kilometri distanță, iar indicaţia lor se păstrează cu o precizie de o parte în 10¹⁸.

Acest rezultat este la fel de bun ca cel al unor măsurători anterioare cu perechi de ceasuri identice aflate la câteva sute de metri distanță, dar de aproximativ o sută de ori mai bun decât în cazul unor măsurători realizate cu ceasuri diferite sau aflate la distanțe mari.

Autorii noului studiu au comparat ceasuri bazate pe diferite tipuri de atomi: yterbiu, aluminiu și stronțiu Un ceas pe bază de stronțiu era situat în Universitatea din Colorado, iar celelalte două se aflau la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA.

Cercetătorii au conectat ceasurile cu un fascicul laser, prin aer, pe o distanţă de 1,5 km de la o clădire la alta, iar această legătură s-a dovedit a fi la fel de bună ca în cazul utilizării unei fibre optice subterane, în ciuda turbulenței aerului.

Experimentul cu ceasuri atomice. Credit: Hanacek/NIST

De ce avem nevoie de ceasuri atât de precise?

Conform teoriei relativității generale a lui Albert Einstein, gravitația deformează spațiu-timpul și astfel putem măsura această distorsiune.

Ceasurile optice au fost deja utilizate pentru a detecta diferențe în câmpul gravitațional al Pământului prin mișcarea lor pe înălţime cu doar un centimetru.

Cu ajutorul unor ceasuri mai precise, poate că vom putea sesiza tensiunile scoarței terestre și astfel am putea prevedea erupțiile vulcanice.

Oamenii de ştiinţă au detectat undele gravitaționale produse prin fuziunea unor găuri negre îndepărtate şi poate că în curând vom putea să detectăm unde mult mai slabe rezultate ca urmare a unor evenimente mai puțin cataclismice folosind o pereche de sateliți cu ceasuri optice.

Traducere după Scientists are hoping to redefine the second – here’s why