Un nou tip de ceas atomic are o acuratețe atât de mare încât are o marjă de eroare de doar o zecime de secundă la 14 miliarde de ani, vârsta actuală a Universului. Dispozitivul ar putea ajuta la studierea efectului gravitației asupra timpului, dar și misterele enigmaticei materii negre.
Ceasul atomic este cel mai exact tip de ceas dintre toate tipurile descoperite de om. Utilizează tranziția frecvenței electronice în zona microundelor, opticii sau a ultravioletelor dintr-un spectru electromagnetic al unui atom.
Ceasurile atomice funcționează prin măsurarea oscilației periodice a atomilor cu ajutorul laserelor. Totuși, ele sunt supuse incertitudinilor cuantice care le restrâng gradul de precizie. Noul design al ceasului reduce incertitudinea prin încâlceala atomilor măsurați. Acest fenomen produce oscilațiile individuale ale atomilor astfel încât aceștia se strâng în jurul unei frecvențe comune.
Dacă ar fi lăsat să funcționeze în jur de 14 miliarde de ani – aproximativ vârsta curentă a Universului – un nou tip de ceas atomic ar putea măsura timpul cu acuratețea unei zecimi de secundă. Designul creat de experții americani folosește un fenomen bizar numit ’încâlceală cuantică', în care particulelele devin legate în mod ireductibil. Potrivit cercetătorilor, această ’încâlceală’ ajută la reducerea necunoscutelor implicate în măsurarea oscilațiilor atomilor folosiți de ceasurile atomice pentru a seta timpul.
Materia neagră, la un pas de a fi descifrată
Ceasurile ar putea fi utile în cercetarea materiei negre despre care se crede că ar compune peste trei sferturi din Univers, precum și în studierea efectului gravitației asupra timpului.
„Ceasurile atomice optice care folosesc această tehnică vor avea potențialul de a atinge o precizie superioară în doar o secundă față de actualele ceasuri optice de ultimă generație”, a declarat autorul studiului, inginerul Edwin Pedrozo-Peñafiel Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Într-o modalitate similară celei în care bunicul folosea legănarea pendulului pentru a măsura timpul, ceasurile atomice folosesc laserele pentru a măsura oscilațiile regulate ale norilor atomici, cele mai stabile evenimente periodice pe care oamenii de știință le pot observa în prezent.
La scară atomică, regulile stranii ale mecanicii cuantice intervin dincolo de mișcarea regulată a unui singur atom. „Când crești numărul de atomi, media dată de toți acești atomi indică valoarea corectă", explică fizicianul Simone Colombo de la MIT, co-autor al studiului.
Fenomenul bizar al încâlcelii atomice
Ceasurile atomice curente măsoară începând de la mii de atomi ultra-răciți – care sunt corelați într-o trapă optică cu ajutorul laserelor și verificați de un laser diferit a cărui frecvență este similară celei a vibrațiilor măsurate ale atomilor. Totuși, chiar și această abordare este supusă unui anumit grad de incertitudine cuantică, însă așa cum arată coordonatorii studiului, o anumită parte de incertitudine poate fi eliminată prin fenomenul încâlcelii atomice, în care grupurile de atomi dau măsurători corelate între ele. Mai precis, asta înseamnă că oscilațiile individuale ale atomilor încâlciți se strâng în jurul unei frecvențe comune, ducând la creșterea preciziei măsurătorilor făcute de ceas.
Noul design prevede, explică Dr. Pedrozo-Peñafiel și colegii săii, încâlcirea a 359 de atomi ai unui element rar pe Pământ, yterbiu, care oscilează de 100.000 de ori pe secundă mai mult decât cesiul, elementul folosit la ceasurile atomice convenționale. Mai exact, dacă se folosește în mod adecvat, noul ceas poate distinge chiar și intervale mai mici de timp.
Lumina, mediul care conectează atomii
Ca și în cazul ceasului atomic clasic, echipa a izolat atomi într-o cavitate optică delimitată de două oglinzi, dar apoi a lansat un laser în zona cavității astfel încât acesta a sărit între cele două oglinzi, interacționând cu atomii și încâlcindu-i. „Este ca și cum lumina a servit ca legătură de comunicare între atomi", a explicat fizicianul Chi Shu din cadrul MIT. Primul atom care vede lumina se va modifica ușor, iar apoi lumina modifică al doilea atom, al treilea atom și tot așa mai multe cicluri, până când atomii ajung să se cunoască reciproc și încep să se comporte similar.
Echipa de cercetare a folosit apoi un alt laser care să măsoare frecvența medie a atomilor, similar abordării din cazul ceasurilor atomice. Echipa a remarcat că încâlceala a permis ceasului să atingă precizia dorită de 4 ori mai repede.
„Întotdeauna poți face un ceas mai precis printr-o măsurătoare mai îndelungată. Problema este de cât timp ai nevoie pentru a atinge o anumită precizie. Multe fenomene trebuie măsurate pe o scală de timp mai rapidă”, consideră co-autorul studiului Vladan Vuletic, fizician în cadrul MIT. Potrivit specialistului, noul design al ceasului ar putea avea efect în evaluarea misterelor de nepătruns ale Universului. Pe măsură ce Universul îmbătrânește, se schimbă și viteza luminii? Se schimbă sarcina electronului? Iată ceea ce poți dovedi cu ceasuri atomice mai precise, conchide acesta.
Versiunea completă a acestui proiect de cercetare a fost publicată în revista Nature.
Sursa: Daily Mail