DARPA, ROCkN, mobilne optyczne zegary atomowe

Ile trwa sekunda? Precyzyjne zegary dostarczą odpowiedzi na to pytanie

Definicja sekundy nie zmieniła się od 1967 roku, a jednostka ta stanowi podstawę większości układów jednostek miar. Dzięki wysoce precyzyjnym zegarom atomowym możliwa będzie jednak modyfikacja obowiązującej definicji.

Najnowsze wersje zegarów atomowych powinny być dokładniejsze od powszechnie stosowanych i opartych na cezie. Te ostatnie wykorzystują oscylacje atomów cezu pod wpływem mikrofal do określania czasu. Jeffrey Sherman z Narodowego Instytutu Norm i Technologii w Boulder porównuje tę sytuację do korzystania z linijki z zaznaczonymi milimetrowymi odstępami po tym, jak wcześniej używaliśmy metrowego kija.

Czytaj też: Tak precyzyjny zegar atomowy to rzadkość. Naukowcy mają pomysł na jego wykorzystanie

Jego zdaniem nowa definicja sekundy mogłaby zostać zaakceptowana już w 2030 roku. Nie będzie to jedynym postępem, jaki dokona się za sprawą wprowadzenia nowych, jeszcze bardziej zaawansowanych zegarów atomowych. W grę wchodzi bowiem także udzielenie odpowiedzi na pytania związane z naturą ciemnej materii oraz fal grawitacyjnych. Ta pierwsza jest niewidzialna, ale o jej istnieniu świadczy jej wpływ grawitacyjny na otoczenie. Z kolei te drugie stanowią pozostałości po Wielkim Wybuchu i są falami rozchodzącymi się w czasoprzestrzeni.

Podstawę obecnej definicji sekundy stanowi eksperyment z 1957 roku. Jego autorzy wykorzystali izotop cezu, którego atomy zaczęły pulsować pod wpływem energii mikrofalowej. W takiej sytuacji cez uwalniał najwyższą możliwą liczbę fotonów, a atomy cezu „tykały” 9 192 631 770 razy na sekundę.

Do określenia, ile trwa sekunda wykorzystuje się oscylacje atomów cezu

Jaka jest różnica przy zastosowaniu zegarów atomowych? Mierzą one oscylacje atomów, które „tykają” znacznie szybciej niż atomy cezu, dlatego określenie czasu trwania sekundy jest możliwe do wykonania z dużo wyższą dokładnością. Wśród potencjalnych kandydatów do zastąpienia cezu wymienia się stront, iterb i aluminium, choć żaden z nich z pewnością nie będzie stanowił idealnego rozwiązania.

Czytaj też: Powstał kwantowy czujnik grawitacji, który umożliwi precyzyjne pomiary odległych planet

W przypadku zegarów atomowych kluczem jest zawieszenie, a następnie schłodzenie atomów do temperatury bliskiej zera absolutnego. Później zostają one podane działaniu impulsów o precyzyjnie dobranej barwie światła widzialnego, co z kolei przekłada się na maksymalne możliwe wzbudzenie atomów tworzących daną cząsteczkę. Naukowcy muszą jednak mieć pewność, że laser emituje dokładnie taki kolor światła, jaki jest potrzebny do wzbudzenia atomów do częstotliwości rezonansowej. Mając do dyspozycji zaawansowane zegary atomowe dokładnie odmierzające czas, naukowcy mogliby wykryć nawet najmniejsze zakłócenia grawitacyjne. Właśnie dzięki nim możliwe będzie udzielenie odpowiedzi na szereg pytań.