Naujos Eros Laikrodinėjimas: Tiksliausias Atominis Laikrodis Pasaulyje

Proveržis Laiko Matavime: Tiksliausias Kada Nors Sukurtas Atominis Laikrodis

Nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) mokslininkų komanda pasiekė itin reikšmingą rekordą tiksliame laiko matavime – jie sukūrė patį tiksliausią atominį laikrodį pasaulyje. Naujojo laikrodžio tikslumas net 41 procentu viršija ankstesnes technologijas, iš naujo apibrėždamas laikrodžių tikslumo ir stabilumo ribas, kurios yra būtinos pažangiems moksliniams tyrimams ir pasaulinei laiko sinchronizacijai.

Mokslas už itin tikslių atominių laikrodžių

Atominiai laikrodžiai laikomi aukso standartu tikslumo srityje, nes pagrįsti itin pastovių atomų virpesiais. Šiame proveržyje NIST tyrėjai naudojo vieną aliuminio joną, kuris buvo kruopščiai sulaikytas ir atvėsintas iki beveik absoliutaus nulio temperatūros. Matavus ypač subtilius to jono virpesius, laikrodis gali skaičiuoti sekundes su neprilygstamu tikslumu – net iki 19 skaitmenų po kablelio. Toks tikslumas, dar vadinamas itin mažu sisteminiu neapibrėžtumu, leidžia šiam laikrodžiui veikti 2,6 karto stabiliau už bet kurį ankstesnį modelį.

Tokiu tikslumo lygiu būtinas kruopštus visų aplinkos veiksnių valdymas – net ir menkiausi trikdžiai gali paveikti laikrodžio darbą. NIST tyrėjų komandai pavyko pasiekti naują izoliacijos bei stabilumo lygį – jie pastorino laikrodžio mechanizmo deimantinę plokštelę bei sustiprino aukso padengimą elektrodų viduje. Tokie patobulinimai papildomai stabilizavo elektros laukus, kurie yra būtini periodiniams atomų judesiams valdyti atominėje skalėje.

Bendradarbiavimu grįsti pažangūs sprendimai ir esminės technologijos

Šio laikrodžio patikimumą taip pat padėjo užtikrinti kartu su aliuminio jonu naudotas „draugo“ magnio jonas. Ši tandeminė sistema leido efektyviau manipuliuoti lazeriais, kas dar labiau pagerino matavimo tikslumą ir laikrodžio stabilumą. Lazeriai, naudoti šiam procesui, buvo tiekiami iš itin specializuotos laboratorijos, įsikūrusios daugiau nei 3,6 kilometro atstumu. Tokia tarpinstitucinė partnerystė ženkliai sutrumpino laiką, reikalingą sekundės matavimams su 19 skaitmenų tikslumu – nuo beveik trijų savaičių iki vos pusantros dienos.

„Dirbti su laikrodžiu, kuris apibrėžia tikslumo ribas, – išties įkvepiantis iššūkis,“– teigė NIST fizikas Masonas Marshallas, pabrėždamas instituto ryžtą siekti tobulumo matavimų moksle. Elektronikos inžinierius Danielis Rodriguezas Castillo pridūrė: „Kiekviena laikrodžio architektūros detalė lemia jo galutinį veikimą, tad kelias link šio rezultato buvo labai sudėtingas.“

Poveikis fizikai ir už jos ribų

Skirtingai nuo įprastų laikrodžių, atominiai laikrodžiai tapo globalios laiko matavimo sistemos pagrindu. Jų tikslumas būtinas fundamentiniams moksliniams tyrimams: nuo kitų laikrodžių kalibravimo, sudėtingų fizikos eksperimentų, navigacijos sistemų (GPS) palaikymo iki tikslaus visatos tyrimo. Tiksli sekundės apibrėžtis lemia didžiąją dalį mokslinės ir technologinės pažangos. Pažangūs laiko matavimo sprendimai atveria galimybes tamsiosios materijos tyrimams bei Einšteino reliatyvumo teorijos tikrinimui.

Ateities perspektyvos NIST mokslininkus nuteikia optimistiškai. Tolimesni patobulinimai galėtų apimti didesnį sulaikytų jonų skaičių arba kvantinio susietumo strategijas, kurios dar labiau padidintų matavimo galimybes. „Turėdami šią platformą, galime tyrinėti naujas laikrodžių architektūras ir pagerinti žinias apie pačius esminius visatos dėsnius,“– pažymėjo fizike Willa Arthur-Dworschack iš NIST.

Išvada

Pats tiksliausias atominis laikrodis žymi esminį lūžį fizikoje ir technologijose. Dėl NIST komandos inovatyvumo ir bendradarbiavimo ne tik buvo iškelta nauja tikslumo kartelė, bet ir atvertos durys ateities proveržiams – laiko matavime, navigacijoje bei fundamentaliuose kosmoso ir laiko tyrimuose. Kol mokslas toliau tobulėja, siekis pasiekti dar didesnį atominiu laikrodžių tikslumą žada iš esmės pakeisti mūsų pasaulio suvokimą ir stiprinti pasaulines mokslo bei technologines sistemas.