Σε όλη την ανθρώπινη ιστορία κάθε φορά που έρχετε μια επιστημονική πρόοδος, είναι βέβαιο ότι θα ακολουθήσουν νέες τεχνολογικές εφαρμογές και δυνατότητες. Ακόμη και σε έναν τομέα τόσο απλό όσο η χρονομέτρηση, οι αρχαίες εξελίξεις από τα ηλιακά ρολόγια στα ρολόγια εκκρεμούς και τα ρολόγια χαλαζία επέτρεψαν τεχνολογίες όπως ο απομακρυσμένος συγχρονισμός και η αξιόπιστη πλοήγηση σε όλο τον κόσμο, μέρα ή νύχτα.
Στα μέσα του 20ου αιώνα, ανακαλύφθηκαν τα μεγαλύτερα φυσικά ρολόγια - πάλσαρ χιλιοστών του δευτερολέπτου -, ενώ τα ατομικά ρολόγια αναπτύχθηκαν ακριβώς την ίδια εποχή. Αντί να κρατάμε χρόνο στην ακρίβεια ενός δευτερολέπτου για ημέρες, εβδομάδες ή ακόμα και μήνες, βελτιώσαμε την ακρίβεια ενός δευτερολέπτου σε χιλιάδες, εκατομμύρια και τώρα ακόμη και δισεκατομμύρια χρόνια. Σε τελευταία μέτρηση, τα ατομικά ρολόγια με οπτικό πλέγμα μπορούν να κρατήσουν το χρόνο με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Σήμερα, τα ατομικά ρολόγια διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο στις τηλεπικοινωνίες, στις οικονομικές συναλλαγές, στους υπολογιστές, στις τεχνολογίες δορυφορικής πλοήγησης GPS καθώς και σε μια ποικιλία επιστημονικών εφαρμογών. Μπορούμε να συγχρονίσουμε τα ρολόγια σε όλο τον κόσμο με ακρίβεια ~ νανοδευτερόλεπτου. Ωστόσο, υπάρχουν όρια στο τι μπορούμε να κάνουμε, και αυτά ορίζονται από τα φυσικά όρια των ατόμων.
Ωστόσο, υπάρχει μια τεράστια ελπίδα για υπέρβαση όλων των σημερινών ορίων κατά περισσότερο από μια τάξη μεγέθους: τα πυρηνικά ρολόγια.
Μια από τις μεγαλύτερες αποκαλύψεις που μας έφερε ο 20ός αιώνας ήταν η έννοια του σχετικού χρόνου. Αρχικά - και για αιώνες - ο χρόνος αντιλαμβανόταν ως μια απόλυτη ποσότητα, που εξαφανιζόταν με τον ίδιο ρυθμό σε όλες τις τοποθεσίες παντού στο Σύμπαν. Σύμφωνα με την ιδέα του απόλυτου χρόνου, ανεξάρτητα από το πού βρίσκεστε ή πώς κινείστε, τότε σε κάθε «ένα δευτερόλεπτο» που περνάει για εσάς, το ίδιο ένα δευτερόλεπτο περνάει και για όλους τους άλλους, κάτω από όλες τις φυσικές συνθήκες.
Μόνο, αν η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή για όλους στο Σύμπαν, αυτό είναι αδύνατο.
Ο ρυθμός με τον οποίο περνά ο χρόνος, αντίθετα, σχετίζεται με τον ρυθμό με τον οποίο ένας παρατηρητής, σε σχέση με έναν άλλο, κινείται μέσα στο διάστημα.
Αυτό περιλαμβάνει τόσο την απλή κίνηση της ειδικής σχετικότητας, που σχετίζεται με τις σχετικές ταχύτητες σας, όσο και την πιο περίπλοκη κίνηση της γενικής σχετικότητας, που σχετίζεται με τη σχετική καμπυλότητα του χώρου (καθώς και το πώς μεταβάλλεται) μεταξύ δύο παρατηρητών. Δεν υπάρχει τέτοιο πράγμα όπως ο απόλυτος χρόνος. Ο μόνος τρόπος για να ορίσετε τον «χρόνο» που έχει οποιοδήποτε φυσικό νόημα είναι να επιλέξετε ένα πλαίσιο αναφοράς στο οποίο συμφωνούν όλοι οι παρατηρητές και στη συνέχεια να βαθμονομήσετε τα ρολόγιά σας σε σχέση με αυτό το συγκεκριμένο πλαίσιο αναφοράς.
Ευτυχώς, η ανθρωπότητα έχει ακριβώς αυτό: ένα πλαίσιο αναφοράς στο οποίο μπορούν να συμφωνήσουν όλοι οι άνθρωποι είναι το σωστό για συγχρονισμό: την ίδια την επιφάνεια της Γης. Ναι, ο ρυθμός με τον οποίο περνά ο χρόνος θα εξαρτηθεί από τη αθροιστική κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο, την απόστασή σας από το κέντρο της Γης, την τοπική ποσότητα βαρύτητας κάτω από τα πόδια σας και από το πόσο γρήγορα περιστρέφεται η Γη κάτω από τα πόδια σας.
Ωστόσο, αυτά είναι προβλήματα που μπορούν να ξεπεραστούν με αρκετά σημεία δεδομένων, μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε τις επιπτώσεις καθενός από αυτά τα φαινόμενα. Μόλις το κάνουμε ακριβώς αυτό, μπορούμε να «κρατήσουμε τον χρόνο» εξίσου καλά, παντού στη Γη και πέρα από αυτήν, στα όρια της ακρίβειας των συσκευών μέτρησής μας.
Όσο καλά κι αν μπορούμε να κρατήσουμε χρόνο, λοιπόν, καθορίζει ποιες θα είναι οι τεχνολογικές μας δυνατότητες. Υπάρχουν πολλές εργασίες που απαιτούν απίστευτα ακριβή γνώση του χρόνου, συγχρονισμένες σε πολλές διαφορετικές τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο, και μερικές ακόμη και πέρα από τον επίγειο κόσμο μας. Οποιαδήποτε ερώτηση έχετε σχετικά με το «ποιο συμβάν συνέβη πρώτο» ή «πώς ακριβώς μπορούμε να μετρήσουμε την ακριβή στιγμή κατά την οποία συνέβη αυτό το συμβάν» μπορεί να απαντηθεί μόνο καθώς και μπορείτε να μετρήσετε τον χρόνο σύμφωνα με το πρότυπο ανάπαυσης ( ή πλαίσιο αναφοράς) που έχουμε επιλέξει.
Προς το παρόν, το ατομικό ρολόι είναι η καλύτερη τεχνολογία που έχουμε για τη μέτρηση του χρόνου με τη μεγαλύτερη ακρίβεια από όλες. Ο τρόπος που λειτουργούν τα ατομικά ρολόγια είναι, καταρχήν, πολύ απλός.
-Έχετε ένα άτομο, ή ακριβέστερα, ένα σύνολο (ή πλέγμα) πανομοιότυπων ατόμων, που έχουν ορισμένες εγγενείς ιδιότητες.
-Μία από αυτές τις ιδιότητες είναι μια σειρά ενεργειακών επιπέδων, όπου τα ηλεκτρόνια σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο μπορούν να απορροφήσουν μόνο φωτόνια (το κβαντικό αντίστοιχο των κυμάτων φωτός) ενός συγκεκριμένου συνόλου μηκών κύματος, και αυτά τα διεγερμένα ηλεκτρόνια μπορούν να αποδιεγερθούν μόνο εκπέμποντας φωτόνια το ίδιο σύνολο συγκεκριμένων μηκών κύματος.
-Δεδομένου ότι τα άτομα αποτελούνται από έναν φορτισμένο πυρήνα και ένα σύνολο αντίθετα φορτισμένων ηλεκτρονίων, τα οποία έχουν όλα μια εγγενή γωνιακή ορμή (σπιν) και όπου τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα, τα άτομα έχουν τα δικά τους εσωτερικά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.
-Αυτά τα πεδία στη συνέχεια επηρεάζουν αυτά τα ενεργειακά επίπεδα, με αποτέλεσμα να «διασπαστούν» σε λεπτή και υπερλεπτή δομή.Αυτά τα διαιρεμένα επίπεδα ενέργειας έχουν μόνο μικρές διαφορές στην ενέργεια μεταξύ τους, και έτσι αυτές οι μεταβάσεις είναι μικρότερες, πιο ευαίσθητες και οδηγούν σε ακριβέστερα μετρήσιμα χρονοδιαγράμματα.
-Και «αντλώντας» συνεχώς αυτά τα άτομα με ένα λέιζερ, το οποίο τα διατηρεί σε διεγερμένη κατάσταση, μπορούμε να τα αναγκάσουμε να εκπέμπουν φως μιας συγκεκριμένης, πολύ γνωστής συχνότητας με σχεδόν συνεχή τρόπο.
Δεδομένου ότι μπορούμε απλά να μετρήσουμε τον αριθμό των μηκών κύματος του φωτός που περνούν και η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή για όλους, καταλήγουμε σε μια μέθοδο υπολογισμού του «χρόνου» που μπορεί να γίνει συνεπής, μέσω μιας διαδικασίας συγχρονισμού, για κάθε παρατηρητή που κατέχει τέτοιο ρολόι.
Επιστημονικά, αξιοποιούμε τα ατομικά ρολόγια με διάφορους τρόπους. Υπάρχουν πολλά ατομικά ρολόγια σε κάθε δορυφόρο GPS και κάθε σημείο στη Γη βρίσκεται σε συνεχή επαφή με τουλάχιστον τέσσερις τέτοιους δορυφόρους GPS κάθε στιγμή. Αυτό μας επιτρέπει να «διορθώνουμε» τη θέση κάθε παρατηρητή - τρεις χωρικές συντεταγμένες και μία χρονική συντεταγμένη - στην ακρίβεια των ατομικών ρολογιών στους δορυφόρους.
Στους τομείς της επιστήμης της Γης και της επιστήμης του κλίματος, η ικανότητα προσδιορισμού της επιρροής της βαρύτητας σε κάθε σημείο της επιφάνειας της Γης - γεωδαισία - βοηθά με τα πάντα, από την κατανόηση του κύκλου του νερού της Γης έως την παρακολούθηση της κλιματικής αλλαγής έως την παρακολούθηση των αλλαγών των ακτών και πολλά άλλα.
Και, ίσως το πιο συναρπαστικό, τα ατομικά ρολόγια έχουν συνδεθεί με μια σειρά διαφορετικών παρατηρητηρίων μεγάλου μήκους κύματος σε όλο τον κόσμο. Όταν τα συνδεδεμένα παρατηρητήρια κάνουν παρατηρήσεις του ίδιου αντικειμένου, μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα ατομικά ρολόγια για να συνδέσουν αποτελεσματικά - μέσω της διαδικασίας της συμβολομετρίας πολύ μεγάλης γραμμής βάσης - αυτά τα διάφορα παρατηρητήρια μαζί σε μια συστοιχία. Με μια αποτελεσματική ανάλυση που δίνεται από την απόσταση μεταξύ των τηλεσκοπίων, αυτό χρησιμοποιήθηκε μόνο τα τελευταία χρόνια για να δώσει τις πρώτες μας εικόνες από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.
Πέρα από τις θεμελιώδεις επιστημονικές εφαρμογές των ατομικών ρολογιών, υπάρχουν και τεχνολογικές.
-Η ικανότητά μας να μετράμε το χρόνο με ακρίβεια καθορίζει την ακρίβεια με την οποία μπορούν να πραγματοποιηθούν οι τηλεπικοινωνίες μεταξύ διαφορετικών τοποθεσιών.
-Βοηθά στο συγχρονισμό υπολογιστών σε όλο τον κόσμο με ακρίβεια ~ νανοδευτερόλεπτου. Βοηθά τα δίκτυα να παρακολουθούν τη χρήση του βοηθητικού προγράμματος σε πραγματικό χρόνο σε όλο τον κόσμο.
-Βοηθά στον καθορισμό της σειράς με την οποία πραγματοποιήθηκαν/πραγματοποιήθηκαν οι χρηματοοικονομικές συναλλαγές, ένα ουσιαστικό εργαλείο στην παγκόσμια οικονομία.
-Επιτρέπει στους χρήστες GPS να προσδιορίζουν τη θέση τους στη Γη με εξαιρετική ακρίβεια. μια συσκευή μέτρησης χρόνου που ήταν ακόμη και κατά ~10 λιγότερο ακριβής θα είχε ως αποτέλεσμα θέσεις που ήταν ~10 φορές πιο αβέβαιες.
-Και αν έχετε μια συσκευή στο διάστημα, τα ατομικά ρολόγια μπορούν να επιτρέψουν την αυτόνομη πλοήγηση, αντί να πρέπει να βασίζονται σε επικοινωνίες πίσω σε ένα μοναδικό πλαίσιο αναφοράς, όπως αυτό που έχουμε εδώ στη Γη.
Σήμερα, τα σύγχρονα ατομικά ρολόγια μπορούν να ακολουθήσουν ποικίλες προσεγγίσεις, με την προσέγγιση οπτικού πλέγματος να παράγει τους υψηλότερους βαθμούς ακρίβειας. Αυτά τα οπτικά ρολόγια βασίζονται σε άτομα υττερβίου ή στροντίου, ενώ το παλαιότερο πρότυπο (μικροκυμάτων) των ατόμων καισίου, με το οποίο ορίζεται ακόμη το δεύτερο, είναι θεμελιωδώς λιγότερο ακριβές.
Αλλά ακόμη και τα ατομικά ρολόγια, ακόμη και όταν τοποθετούνται σε ένα πλέγμα και λειτουργούν σε οπτικές συχνότητες, εξακολουθούν να είναι θεμελιωδώς περιορισμένα. Επειδή βασίζονται σε μεταπτώσεις ηλεκτρονίων στο φλοιό ενός ατόμου, το πλεονέκτημα ενός ατομικού ρολογιού είναι ότι η ενέργεια της λειτουργίας του είναι ανεξάρτητη τόσο από το χώρο όσο και από το χρόνο. ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα κινείστε ή σε ποιον τύπο βαρυτικού πεδίου βρίσκεστε, τα άτομα παρουσιάζουν τις ίδιες κβαντομηχανικές ιδιότητες. Όταν διεγείρετε αυτήν την ατομική μετάβαση με (μονόχρωμο) φως λέιζερ συνεχώς με ένα λέιζερ, μπορείτε απλά να μετρήσετε πόσες ταλαντώσεις του φωτός έχουν συμβεί για να προσδιορίσετε το πέρασμα του χρόνου.
Αλλά τα άτομα είναι μάλλον μεγάλες οντότητες. καταλαμβάνουν περίπου ένα ångström, ή ένα δέκατο δισεκατομμυριοστό του μέτρου, σε διάμετρο. Ενώ τα εσωτερικά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία του ατόμου καθορίζουν τη λεπτή και υπερλεπτή δομή αυτού του ατόμου, υπάρχουν επίσης ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που υπάρχουν εξωτερικά και διαταράσσουν περαιτέρω αυτά τα ενεργειακά επίπεδα. Αυτά τα εξωτερικά πεδία είναι ο περιοριστικός παράγοντας για την επίτευξη καλύτερων ακρίβειων με τα σύγχρονα ατομικά ρολόγια, καθώς δεν υπάρχει τρόπος να προστατευθούν αποτελεσματικά τα μεμονωμένα άτομα από αυτές τις αναπόφευκτες επιδράσεις.
Εκεί, επιτέλους, μπαίνει η ιδέα των πυρηνικών ρολογιών. Αντί να χρησιμοποιεί τις μεταπτώσεις ενός ηλεκτρονίου που καταλαμβάνουν το χώρο ενός ολόκληρου ατόμου, ένα πυρηνικό ρολόι βασίζεται σε μια μετάβαση μέσα στον ίδιο τον ατομικό πυρήνα για να κρατήσει τον χρόνο. Ακριβώς όπως με ένα ατομικό ρολόι, θα «οδηγούσατε» την πυρηνική μετάβαση με ένα λέιζερ συγκεκριμένης συχνότητας, και στη συνέχεια αυτή η μετάβαση θα συνέβαινε ξανά και ξανά για να οδηγήσει στη συνεχή εκπομπή φωτός. Απαιτείται η άμεση διέγερση με λέιζερ.
Μια μικρή διαφορά θα ήταν ότι για να διεγείρετε ένα μόνο άτομο, θα πρέπει να παγιδεύσετε έναν ιονισμένο ατομικό πυρήνα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω μιας συσκευής γνωστής ως παγίδα του Παύλου, που πήρε το όνομά του από τον Βόλφγκανγκ Πολ, έναν φυσικό άσχετο με τον Βόλφγκανγκ Πάουλι, αλλά από μόνος του αξιοσημείωτο. Μπορείτε να φτιάξετε ένα πυρηνικό ρολόι ενός ιόντος ή, παγιδεύοντας μια αλυσίδα πολλαπλών ιόντων, ένα πυρηνικό ρολόι πολλαπλών ιόντων. Φυσικά, οι ατομικοί πυρήνες μπορούν επίσης να ενσωματωθούν σε ένα περιβάλλον κρυσταλλικού πλέγματος, παρόμοιο με το πώς μπορούν να είναι και τα ατομικά ρολόγια. Επειδή οι πυρήνες είναι τόσο μικροί σε σύγκριση με το άτομο, και επειδή υπάρχουν τόσοι πολλοί από αυτούς, αυτά τα πυρηνικά ρολόγια στερεάς κατάστασης προσφέρουν τη δυνατότητα να ανταγωνιστούν τα πυρηνικά ρολόγια που βασίζονται σε παγίδες στην πρώτη γραμμή αυτής της αναπτυσσόμενης τεχνολογίας.
Ωστόσο, σε αντίθεση με ένα ατομικό ρολόι, η επίδραση των εξωτερικών ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων είναι πολύ μικρότερη. Στην πραγματικότητα, λόγω του πολύ μικρότερου μεγέθους ενός πυρήνα (κατά περίπου 100.000), τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πολύ πιο αυστηρές ακριβείς από τα σύγχρονα ατομικά ρολόγια. Επί του παρόντος, τα καλύτερα ατομικά ρολόγια έχουν ακρίβεια περίπου 1 δευτερόλεπτο σε κάθε 30 δισεκατομμύρια χρόνια, αλλά τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν να το ανεβάσουν σε σχεδόν 1 δευτερόλεπτο σε κάθε ένα τρισεκατομμύριο χρόνια, κάτι που θα ήταν μια αξιοσημείωτη βελτίωση.
- Οι οικονομικές συναλλαγές θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν με ακρίβεια ~ picosecond.
- Η παγκόσμια τοποθέτηση θα μπορούσε να επιτευχθεί με ακρίβεια ~ χιλιοστού.
- Οι βαρυτικές αλλαγές στη Γη θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν στην παρακολούθηση των αλλαγών του υδροφόρου ορίζοντα κατά επίπεδα κάτω των εκατοστών.
Και η ραδιοαστρονομία, η οποία χρησιμοποιείται σήμερα για την απεικόνιση μαύρων οπών με τηλεσκόπιο της πραγματικής διαμέτρου της Γης, θα μπορούσε να επεκταθεί στο διάστημα γύρω από τη Γη, οδηγώντας σε αναλύσεις που είναι δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές μεγαλύτερες από ό,τι σήμερα.
Η κύρια δυσκολία εδώ είναι ότι υπάρχει μόνο ένας γνωστός ατομικός πυρήνας κατάλληλος για ένα πυρηνικό ατομικό ρολόι: η διεγερμένη κατάσταση του θορίου-229. Ενώ οι ατομικές μεταπτώσεις συμβαίνουν συνήθως της τάξης του ~ 1 ηλεκτρονιοβολτ, οι πυρηνικές μεταπτώσεις είναι πολύ μεγαλύτερες σε ενέργεια, χιλιάδων ή και εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβολτ. Το Θόριο-229 είναι ένας από τους δύο μόνο γνωστούς πυρήνες με μετάπτωση κάτω από 100 ηλεκτρονιοβολτ ενέργειας, και είναι στην πραγματικότητα ο χαμηλότερος: στα 8 ηλεκτρονιοβολτ περίπου. Αυτό είναι ένα ολοκαίνουργιο πεδίο, και ενώ τα πυρηνικά ρολόγια δεν υπάρχουν ακόμη, αυτή είναι η πιο πολλά υποσχόμενη οδός για την αντικατάσταση των ατομικών ρολογιών.
Δεδομένου ότι η ιδέα ενός πυρηνικού οπτικού ρολογιού βασισμένου στο θόριο-229 προτάθηκε για πρώτη φορά το 2003, έχουν επιτευχθεί πολλά βήματα προς την υλοποίησή του. Πειράματα φασματοσκοπίας ακτίνων γάμμα ακριβείας έχουν προσδιορίσει την ισομερή ενέργεια της διεγερμένης κατάστασης με αβεβαιότητα μόλις 2%. Το τριπλό ιονισμένο θόριο-229 παγιδεύτηκε με επιτυχία σε μια παγίδα Paul και ψύχθηκε με λέιζερ. Το ισομερές θορίου-229 δημιουργήθηκε και στη συνέχεια παρατηρήθηκε ότι διασπάται αυθόρμητα πίσω στη μη διεγερμένη του κατάσταση. Και η μετατόπιση της υπερλεπτής δομής, που προκαλείται από το ισομερές, εντοπίστηκε για πρώτη φορά μόλις πριν από τέσσερα χρόνια.
Τα πονταρίσματα είναι πολύ μεγαλύτερα, κατά κάποιο τρόπο, από τη μέτρηση του χρόνου με ολοένα μεγαλύτερη ακρίβεια. Εάν υπάρχουν σπάνιες μορφές σκοτεινής ύλης ή εάν κάποια από τις θεμελιώδεις σταθερές ποικίλλει με το χρόνο, οι βελτιώσεις στη μέτρηση του χρόνου θα μπορούσαν να τις αποκαλύψουν. Σε τελική ανάλυση, το χρονοδιάγραμμα για το φως να διασχίσει έναν ατομικό πυρήνα είναι κατά 100.000 συντελεστή μικρότερο από το χρόνο για να διασχίσει ένα άτομο, και έτσι εάν υπάρχουν φυσικές επιδράσεις που επηρεάζουν κατά προτίμηση αυτές τις μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες σε σύγκριση με μικρότερες, η διαφορά μεταξύ των ατομικών και τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν να τα αποκαλύψουν. Αν και η τεχνολογία εξακολουθεί να αναπτύσσεται, θα μπορούσαν να περάσουν μόλις λίγα χρόνια ή δεκαετίες από τώρα όπου τα ατομικά ρολόγια - όπως τα ρολόγια χαλαζία και τα ρολόγια εκκρεμούς πριν από αυτά - θα γίνουν περισσότερο μια καινοτομία σε στιλ steampunk από την τεχνολογία αιχμής που είναι σήμερα.
Πηγή: Bigthink