Vienas sekundes kļūdai būtu nepieciešami vairāk nekā 260 miljardi gadu: zinātnieki radījuši rekordprecīzu pulksteni

Ja pulkstenis gada laikā kļūdās par dažām sekundēm, ikdienā mēs to gandrīz nepamanām. Taču Singapūras zinātnieki ir sasnieguši tādu laika mērīšanas precizitāti, ko pat grūti iztēloties. Viņu radītā atompulksteņa novērtētā kļūda ir tik maza, ka, ja tā nemainītos, vienas sekundes atšķirība izveidotos tikai pēc vairāk nekā 260 miljardiem gadu. Tas ir krietni ilgāk, nekā pastāv Visums.

Singapūras Nacionālās universitātes un Kvantu tehnoloģiju centra pētnieki šo rezultātu sasniedza, izmantojot lutēciju — retzemju metālu. Darbs, kas 23. septembrī publicēts žurnālā „Nature“, paver iespējas vēl precīzāk mērīt laiku, pētīt gravitāciju un nākotnē precizēt pašas sekundes definīciju.

Laiku skaita pēc atoma, nevis rādītāju kustības

Parastā mehāniskajā pulkstenī laiku palīdz mērīt regulāri svārstīgs mehānisms. Atompulkstenī atskaites punktu veido ļoti precīza frekvence, kas saistīta ar atoma pāreju starp enerģijas līmeņiem. Optiskajā pulkstenī šai pārejai tiek pieskaņots lāzers, bet tā gaismas svārstības tiek izmantotas laika skaitīšanai.

Kopš 1967. gada sekundes oficiālā definīcija balstās uz cēzija atomiem. Taču optiskie atompulksteņi darbojas ar krietni augstākām frekvencēm nekā cēzija standartos izmantotie mikroviļņi. Vienkāršoti sakot, tie ļauj to pašu laika sprīdi sadalīt daudz sīkākos intervālos.

Ar lielāku frekvenci vien nepietiek. Pētniekiem jānovērtē, kā mērījumus maina temperatūra, magnētiskie lauki un pašu daļiņu kustība. Tieši šeit lutēcijs izrādījās īpaši perspektīvs: izvēlētā tā jonu pāreja ir salīdzinoši maz jutīga pret termisko starojumu un magnētiskā lauka ietekmi.

Rekordu pārbaudīja, salīdzinot divus pulksteņus

Zinātnieki izveidoja divas neatkarīgas sistēmas, no kurām katrā tiek izmantots viens lutēcija jons. Viena pulksteņa relatīvā sistemātiskā nenoteiktība tika novērtēta ar 1,2 × 10⁻¹⁹, bet otra — ar 1,3 × 10⁻¹⁹. Šis rādītājs nosaka, cik liela neprecizitāte var palikt pēc tam, kad ņemti vērā zināmie mērījumu ietekmējošie faktori.

Lai pārbaudītu rezultātus, pētnieki abus pulksteņus salīdzināja kopumā aptuveni 200 stundas. To rādījumi sakrita salīdzināšanas precizitātes robežās. Svarīgi, ka pašas salīdzināšanas nenoteiktība bija lielāka par atsevišķo pulksteņu novērtēto sistemātisko nenoteiktību — tie ir atšķirīgi rādītāji, kurus nevajadzētu sajaukt.

Tāpēc salīdzinājums ar simtiem miljardu gadu ir veids, kā parādīt sasniegtās precizitātes mērogu. Tas nenozīmē, ka ierīce tika tik ilgi testēta vai varētu tik daudzus gadus darboties bez uzraudzības.

Šāda precizitāte ļauj pamanīt pat augstuma atšķirību

Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju laiks dažādos gravitācijas potenciālos rit nevienādi. Pulkstenis, kas atrodas tuvāk Zemes virsmai, iet nedaudz lēnāk nekā augstāk pacelts pulkstenis. Ikdienā lietotie pulksteņi tik mazu atšķirību neparāda, taču ārkārtīgi precīzi atompulksteņi ļauj to izmērīt.

Jaunais sasniegums tuvina zinātniekus iespējai pēc pulksteņu frekvenču atšķirībām noteikt pat milimetru mēroga augstuma atšķirības. Nākotnē tas varētu noderēt ārkārtīgi precīziem Zemes gravitācijas lauka un augstuma mērījumiem.

Šādas ierīces ir nepieciešamas arī fundamentālās fizikas eksperimentiem. Tās ļauj meklēt niecīgas novirzes no pašreizējo teoriju prognozēm un pārbaudīt, vai laika gaitā nemainās dažas galvenās fizikālās konstantes.

Vai tagad mainīsies sekundes ilgums?

Jaunais rekords nenozīmē, ka vajadzēs pārregulēt pulksteņus vai citādi skaitīt diennakti. Apspriestā sekundes definīcijas atjaunināšana ir paredzēta tam, lai to pašu laika vienību varētu precīzāk atveidot un izmērīt.

Optisko pulksteņu rezultāti jau tiek izvērtēti, gatavojoties iespējamam jaunam standartam. Tomēr ar vienu laboratorijas rekordu nepietiek: nepieciešami uzticami dažādu sistēmu salīdzinājumi un starptautiska vienošanās. Sekundes definīcijas maiņa tiek sagaidīta ne agrāk kā 2030. gadā.

Ikdienā mēs, visticamāk, šīs pārmaiņas nejustu. Taču navigācijai, sakaru sistēmām un zinātniskajiem eksperimentiem arvien precīzāka laika mērīšana sniedz iespējas, kuras parasts sienas pulkstenis nekad neatklās.

Novērtējiet šo rakstu:

 

 

 

 

 

Kraunami duomenys...

Paldies par jūsu vērtējumu!