Φανταστείτε ένα ρολόι που χτυπάει τόσο σταθερά που δεν χάνει ούτε ένα δευτερόλεπτο, ακόμη και μετά από 1 δισεκατομμύριο χρόνια λειτουργίας. Οι επιστήμονες είναι τώρα πιο κοντά από ποτέ στην επίτευξη αυτού του επιπέδου ακρίβειας χρονομέτρησης, όπως αποκαλύπτει νέα έρευνα.
Μια τέτοια συσκευή θα ξεπερνούσε κατά πολύ τις δυνατότητες των ατομικών ρολογιών, τα οποία καθορίζουν το διάστημα του δευτερολέπτου μέσω ελεγχόμενων ενεργειακών αλμάτων στα ηλεκτρόνια των ατόμων και αποτελούν σήμερα το αποκορύφωμα της ακρίβειας για τη μέτρηση του χρόνου. Στα ατομικά ρολόγια, τα σήματα που διεγείρουν τα άτομα ταλαντώνονται σε συχνότητα δισεκατομμυρίων φορών ανά δευτερόλεπτο.
Οι ερευνητές, σύμφωνα με το CNN, ανέπτυξαν πρόσφατα μια τεχνική που θα μπορούσε να αυξήσει αυτή την ακρίβεια προκαλώντας και μετρώντας ταλαντώσεις σε έναν ακόμη πιο δύσκολο στόχο: τον πυρήνα ενός ατόμου. Για αυτό το πυρηνικό ρολόι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν υπεριώδες φως για να διεγείρουν πυρηνικά σωματίδια σε ένα άτομο θορίου-229 ενσωματωμένο σε στερεό κρύσταλλο.
Στη συνέχεια μέτρησαν τη συχνότητα των ενεργειακών παλμών που επηρεάζουν τον πυρήνα -το ισοδύναμο ενός εκκρεμούς σε ένα κανονικό ρολόι- μετρώντας τα κύματα στο υπεριώδες σήμα χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο που ονομάζεται οπτική χτένα συχνοτήτων.
Η πρόκληση ενεργειακών αλμάτων σε έναν πυρήνα απαιτεί ένα σήμα πολύ υψηλότερης συχνότητας από ό,τι απαιτείται για τα ατομικά ρολόγια. Με περισσότερους κύκλους κύματος ανά δευτερόλεπτο, η προσέγγιση αυτή αναμένεται να παρέχει ακριβέστερες μετρήσεις του χρόνου.
Αν και το πυρηνικό ρολόι τους είναι ακόμη σε εξέλιξη, όταν υλοποιηθεί θα μπορούσε να μεταμορφώσει όχι μόνο τη χρονομέτρηση αλλά και τη μελέτη της φυσικής, επηρεάζοντας ακόμη και τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ερευνούν τη δομή του σύμπαντος.
Το πρωτότυπο είναι ήδη τόσο ακριβές όσο ένα ατομικό ρολόι και οι μελλοντικές εκδόσεις αναμένεται να είναι ακόμη πιο ακριβείς και σταθερές, σύμφωνα με την έρευνα που δημοσιεύθηκε στις 4 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Nature.
Τώρα που οι ερευνητές έδειξαν ότι είναι δυνατή η παραγωγή και η μέτρηση αυτών των σημάτων, «υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορούμε να προωθήσουμε για την περαιτέρω βελτίωση της ακρίβειας», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Chuankun Zhang, μεταπτυχιακός φοιτητής στο JILA -ένα κοινό ερευνητικό κέντρο που χρηματοδοτείται από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Μπόλντερ και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας.
Για παράδειγμα, δήλωσε ο Zhang στο CNN, οι προσαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν τη ρύθμιση της ευθυγράμμισης και της συχνότητας των λέιζερ που χτυπούν τον πυρήνα.
«Αυτή η εργασία σηματοδοτεί πραγματικά την αυγή ενός πυρηνικού ρολογιού», δήλωσε η δρ. Olga Kocharovskaya, διακεκριμένη καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο Texas A&M, η οποία δεν συμμετείχε στην έρευνα.
Νέα εποχή στην ακρίβεια χρονομέτρησης
Στα ατομικά ρολόγια, τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου χτυπιούνται με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε συγκεκριμένες συχνότητες. Οι εκρήξεις ενέργειας διεγείρουν τα ηλεκτρόνια, ωθώντας τα σε υψηλότερη τροχιά γύρω από το άτομο. Οι ταλαντώσεις που προκαλούν τις μεταβάσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ των καταστάσεων σηματοδοτούν το πέρασμα του χρόνου, σύμφωνα με τη NASA.
Η αξιοπιστία των ατομικών ρολογιών είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στα καθημερινά ρολόγια που μετρούν τα δευτερόλεπτα σε δονήσεις κρυστάλλων χαλαζία, οι οποίοι είναι επιρρεπείς στο να πέφτουν εκτός συγχρονισμού. Εδώ και δεκαετίες, τα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες GPS, για την εξερεύνηση του διαστήματος και για την τήρηση της διεθνούς ώρας.
Ωστόσο, τα ατομικά ρολόγια είναι, επίσης, ευάλωτα στην απώλεια συγχρονισμού. Οι ηλεκτρομαγνητικές διαταραχές μπορούν να διαταράξουν τα διεγερμένα ηλεκτρόνια και να επηρεάσουν την ακρίβεια της χρονομέτρησης, δήλωσε ο Zhang.
Τα σωματίδια στον πυρήνα ενός ατόμου, από την άλλη πλευρά, είναι πιο δύσκολο να ανακινηθούν από ό,τι τα ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συνδέονται στενά μεταξύ τους με την ισχυρή πυρηνική δύναμη -την ισχυρότερη από όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις. Τα μήκη κύματος που μπορούν να προκαλέσουν τη μετάβαση ενός πυρήνα ταλαντώνονται σε υψηλότερες συχνότητες, επιτρέποντας ακριβέστερες μετρήσεις του χρόνου, ανέφεραν οι ερευνητές.
Επαναστατική φυσική
Η ακρίβεια και η σταθερότητα των ατομικών ρολογιών έχουν ήδη δώσει στους επιστήμονες σημαντικά εργαλεία για τη μελέτη των σεισμών, των βαρυτικών πεδίων και του χωροχρόνου. Αυτοί οι τομείς θα μπορούσαν να βιώσουν «μια σημαντική ώθηση» από τα πυρηνικά ρολόγια, δήλωσε η Kocharovskaya. Τα πυρηνικά ρολόγια θα ήταν όχι μόνο ακριβέστερα αλλά και απλούστερα και πιο φορητά, επειδή σε αντίθεση με τα ατομικά ρολόγια δεν θα απαιτούσαν συνθήκες υψηλού κενού, ακραία ψύξη και ισχυρή θωράκιση από μαγνητικές και ηλεκτρικές διαταραχές, είπε.
Η ίδια η μελέτη της φυσικής θα μπορούσε να φέρει επανάσταση με τη χρήση πυρηνικών ρολογιών παράλληλα με τα ατομικά ρολόγια, σύμφωνα με τον Zhang. Η παρακολούθηση και η σύγκριση των αναλογιών των συχνοτήτων στους δύο τύπους ρολογιών με την πάροδο του χρόνου θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να διαπιστώσουν αν οι θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής είναι πραγματικά τόσο σταθερές όσο φαίνονται ή αν μετατοπίζονται σε επίπεδα που προηγουμένως ήταν πολύ μικρά για να μετρηθούν, δήλωσε ο Zhang.
Ορισμένοι επιστήμονες έχουν προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ και τα γκλουόνια, αλλά σε ποσότητες που δεν είναι προς το παρόν ανιχνεύσιμες.
«Θέλουμε να δούμε αν η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με τον ατομικό πυρήνα με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο σε σύγκριση με την τροχιά των ηλεκτρονίων στο άτομο», δήλωσε ο Zhang. «Αν ο λόγος της συχνότητας μετάβασης του πυρηνικού ρολογιού και του ατομικού ρολογιού μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, αυτό θα ήταν μια ένδειξη νέας φυσικής».
Αν και πρέπει να σημειωθεί ακόμη μεγάλη πρόοδος προτού τα πυρηνικά ρολόγια ξεπεράσουν τις επιδόσεις των ατομικών ρολογιών -ή τα αντικαταστήσουν- τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι μια τέτοια στιγμή δεν είναι μακριά, δήλωσε ο δρ. Shimon Kolkowitz, αναπληρωτής καθηγητής και πρόεδρος φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ.