מדענים ב-JILA פיתחו שעון אטומי מדויק במיוחד, שמקדם את דיוק שמירת הזמן לרמות חסרות תקדים. החידוש הזה, שמודד זמן באמצעות גלי אור גלוי, יכול לשנות ניווט, לחשוף משאבים נסתרים ולבדוק תיאוריות יסוד כמו תורת היחסות הכללית. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרי JILA יצרו את השעון האטומי המדויק ביותר עד כה, תוך שימוש באור נראה למדידת זמן. פריצת דרך זו יכולה להגדיר מחדש תקני שמירת זמן ולפתוח תובנות חדשות בפיזיקה, ולסייע הן לחקר החלל והן מחשוב קוונטי.
בחתירה הבלתי פוסקת של האנושות לשלמות, מדענים יצרו שעון אטומי העולה על כל השעונים הקודמים בדייקנות וב דיוק. פותח על ידי חוקרים ב-JILA, מוסד משותף של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ואוניברסיטת קולורדו בולדר, השעון החדש הזה מייצג התקדמות משמעותית בטכנולוגיית שמירת הזמן.
השעון הזה מאפשר ניווט מדויק במרחב העצום של החלל וחיפוש אחר חלקיקים חדשים, השעון הזה הוא האחרון שמתעלה על שמירת זמן בלבד. עם הדיוק המוגבר שלהם, שומרי הזמן של הדור הבא האלה יכלו לחשוף מרבצי מינרלים תת-קרקעיים נסתרים ולבדוק תיאוריות יסוד כמו תורת היחסות הכללית בקפדנות חסרת תקדים. עבור אדריכלי שעון אטומי, לא מדובר רק בבניית שעון טוב יותר; מדובר על גילוי סודות היקום וסלילת הדרך לטכנולוגיות שיעצבו את עולמנו לדורות הבאים.
הקהילה המדעית העולמית שוקלת להגדיר מחדש את השנייה, יחידת הזמן הבינלאומית, המבוססת על הדור הבא של השעונים האטומיים האופטיים הללו. שעונים אטומיים מהדור הקיים מאירים גלי מיקרו על אטומים כדי למדוד את השני. הגל החדש הזה של שעונים מאיר אטומים עם גלי אור גלוי, בעלי תדירות גבוהה בהרבה, כדי לספור את השני בצורה הרבה יותר מדויקת. בהשוואה לשעוני המיקרוגל הנוכחיים, שעונים אופטיים צפויים לספק דיוק הרבה יותר גבוה עבור שמירת זמן בינלאומית – עלולים לאבד רק שנייה אחת כל 30 מיליארד שנה.
אבל לפני שהשעונים האטומיים האלה יכולים לפעול בדיוק כה גבוה, הם צריכים להיות בעלי דיוק גבוה מאוד; במילים אחרות, הם חייבים להיות מסוגלים למדוד שברירי שנייה זעירים ביותר. להשגת דיוק גבוה וגם דיוק גבוה יכולות להיות השלכות עצומות.
לכוד בזמן
שעון JILA החדש משתמש ברשת אור המכונה "סריג אופטי" כדי ללכוד ולמדוד עשרות אלפי אטומים בודדים בו-זמנית. להחזיק אנסמבל כה גדול מספק יתרון עצום בדייקנות. ככל שנמדדו יותר אטומים, כך יש לשעון יותר נתונים כדי להניב מדידה מדויקת של השני.
גז קר במיוחד של אטומי סטרונציום כלוא ברשת של אור המכונה סריג אופטי. האטומים מוחזקים בסביבת ואקום אולטרה-גבוה, מה שאומר שאין כמעט אוויר או גזים אחרים. ואקום זה עוזר לשמר את המצבים הקוונטיים העדינים של האטומים, שהם שבירים. הנקודה האדומה שאתה רואה בתמונה היא השתקפות של אור הלייזר המשמש ליצירת מלכודת האטום. קרדיט: K. Palubicki/NIST
כדי להשיג ביצועים שוברי שיא חדשים, חוקרי JILA השתמשו ב"רשת" רדודה ועדינה יותר של אור לייזר כדי ללכוד את האטומים, בהשוואה לשעוני סריג אופטיים קודמים. זה הפחית באופן משמעותי שני מקורות שגיאה עיקריים – השפעות מאור הלייזר הלוכד את האטומים, ואטומים שמתנגשים זה בזה כשהם ארוזים בחוזקה מדי.
החוקרים מתארים את ההתקדמות שלהם בתחום מכתבי סקירה פיזית.
שעון יחסות בקנה מידה קטן ביותר
"השעון הזה כל כך מדויק שהוא יכול לזהות השפעות זעירות שנחזו על ידי תיאוריות כמו תורת היחסות הכללית, אפילו בקנה מידה מיקרוסקופי", אמר הפיזיקאי NIST ו-JILA Jun Ye. "זה דוחף את הגבולות של מה שאפשר עם שמירת זמן."
תורת היחסות הכללית היא התיאוריה של איינשטיין שמתארת כיצד כוח הכבידה נגרמת על ידי עיוות של מרחב וזמן. אחת התחזיות המרכזיות של תורת היחסות הכללית היא שהזמן עצמו מושפע מכוח הכבידה – ככל ששדה הכבידה חזק יותר, הזמן עובר לאט יותר.
עיצוב השעון החדש הזה יכול לאפשר זיהוי של השפעות רלטיביסטיות על שמירת זמן בקנה מידה תת-מילימטר, בערך בעובי של שערה אנושית אחת. הגדלה או הורדה של השעון במרחק זעיר זה מספיקה לחוקרים כדי להבחין בשינוי זעיר בזרימת הזמן שנגרם על ידי השפעות הכבידה.
יכולת זו לצפות בהשפעות של תורת היחסות הכללית בקנה מידה מיקרוסקופי יכולה לגשר באופן משמעותי על הפער בין התחום הקוונטי המיקרוסקופי לבין התופעות בקנה מידה גדול המתוארות על ידי תורת היחסות הכללית.
ניווט בחלל והתקדמות קוונטית
שעונים אטומיים מדויקים יותר מאפשרים גם ניווט וחקירה מדויקים יותר בחלל. ככל שבני אדם יוצאים רחוק יותר לתוך מערכת השמש, השעונים יצטרכו לשמור על זמן מדויק על פני מרחקים עצומים. אפילו שגיאות זעירות בקביעת זמן עלולות להוביל לשגיאות ניווט שגדלות באופן אקספוננציאלי ככל שאתה נוסע רחוק יותר.
"אם אנחנו רוצים להנחית חללית על מַאְדִים עם דיוק מדויק, נצטרך שעונים בסדרי גודל מדויקים יותר ממה שיש לנו היום. ג'י.פי. אס"אמרה יה. "השעון החדש הזה הוא צעד חשוב בדרך לאפשר את זה".
אותן שיטות המשמשות ללכוד ולשלוט באטומים יכולות גם לייצר פריצות דרך בתחום המחשוב הקוונטי. מחשבים קוונטיים צריכים להיות מסוגלים לתמרן במדויק את התכונות הפנימיות של אטומים או מולקולות בודדים כדי לבצע חישובים. ההתקדמות בשליטה ובמדידה של מערכות קוונטיות מיקרוסקופיות קידמה משמעותית את המאמץ הזה.
על ידי יציאה לתחום המיקרוסקופי שבו מצטלבות התיאוריות של מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, חוקרים פותחים את הדלת לרמות חדשות של הבנה לגבי הטבע הבסיסי של המציאות עצמה. מהסולמות האינסופיים שבהם זרימת הזמן מתעוותת על ידי כוח הכבידה, ועד לגבולות הקוסמיים העצומים שבהם משפיעים החומר האפל והאנרגיה האפלה, הדיוק המעולה של השעון הזה מבטיח להאיר כמה מהתעלומות העמוקות ביותר של היקום.
"אנחנו בוחנים את הגבולות של מדעי המדידה," אמר Ye. "כשאתה יכול למדוד דברים ברמת דיוק כזו, אתה מתחיל לראות תופעות שרק הצלחנו לחשוב עליהן עד עכשיו."
