Nowy zegar atomowy pozwoli naukowcom na badanie i eksplorację kosmosu jak nigdy dotąd, umozliwiając wykrywanie fal grawitacyjnych, polowanie na ciemną materię i weryfikację hipotez dotyczących Wielkiego Wybuchu. Jest tak precyzyjny, że nie spóźni się o sekundę przez co najmniej 15 mld lat, a prawdopodobnie nawet 30 mld lat. To niesamowite, bo przecież znany nam Wszechświat liczy ok. 13,7 mld lat.
Za najnowszym tzw. optycznym zegarem kratowym, stoi Hidetoshi Yatori z Uniwersytetu Tokijskiego i Jun Ye z Uniwersytetu Colorado Boulder. Kierowane przez nie niezależne zespoły badawcze doprowadziły do przełomowego odkrycia. Ich badania zostały uhonorowane nagrodą Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2022 w wysokości 3 mln dol. Jest ona przyznawana co roku przez Breakthrough Foundation i finansowana m.in. przez Sergeya Brina i Marka Zuckerberga.
Czym są optyczne zegary kratowe?
Każdy zegar atomowy to zegar, którego mechanizm odmierzania czasu opiera się na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Obecnie do najbardziej precyzyjnych zegarów zalicza się tzw. masery wodorowe oraz optyczne zegary atomowe, których działanie polega na oddziaływaniu promieniowania elektromagnetycznego na stany wzbudzone poszczególnych atomów. Wykorzystuje się je m.in. w sieci GPS oraz do kontrolowania częstotliwości fal w programach telewizyjnych.
W laboratoriach Yatori i Ye opracowano technikę pozwalającą na uczynienie optycznych zegarów atomowych jeszcze dokładniejszymi. Cała sztuczka polega na wprowadzeniu oscylacji do widzialnego końca spektrum elektromagnetycznego, o częstotliwościach 100 000 razy wyższych od tych, które występują w powszechnie stosowanych zegarach atomowych.
Naukowcy odkryli, że trzeba znaleźć sposób, aby uwięzić atomy i utrzymać je bez ruchu w ultraniskich temperaturach. Gdy bowiem atomy poruszą się, pomiar czasu będzie zniekształcony. Opracowano więc optyczną sieć – falę stojącą wytworzoną przez wiązkę laserową – która jest idealna do przechwytywania atomów. Stąd nazwa zegara – optyczny zegar kratowy.
To prawie jak wiązka ściągająca ze Star Treka. Umieszczasz wiązkę w środku komory próżniowej i możesz zatrzymać atomy w bezruchu, tak długo, jak chcesz. Zaprojektowaliśmy to w taki sposób, że to działanie polegające na przytrzymywaniu tych atomów okazuje się nie powodować żadnych perturbacji w pomiarze odstępu energetycznego pomiędzy dwoma stanami kwantowymi, które naprawdę miały znaczenie dla precyzji zegara.Jun Ye
To prawdziwy przełom w dziedzinie zegarów atomowych. Współczesne, najdokładniejsze zegary atomowe mogą stracić sekundę raz na 100 mln lat, co i tak jest spektakularnym rezultatem. Tu mówimy o wyniku sięgającym co najmniej wiekowi Wszechświata.
Po co to wszystko?
Zastosowania tego odkrycia są ogromne, choć prawdopodobnie nie dotkną nas bezpośrednio. Nowe optyczne zegary kratowe mogą pomóc w stworzeniu nowej definicji sekundy. To jednak tylko wierzchołek góry lodowej. Precyzyjne zegary atomowe pozwolą na jeszcze precyzyjniejszy GPS, a tym samym dokładniejszą lokalizację – może mieć to znaczenie np. przy poszukiwaniach osób zaginionych lub namierzaniu zagubionych przesyłek. Pozwolą też na dokładniejsze sterowanie sondami kosmicznymi, a także komunikację z Marsem (również podczas misji załogowej).
Dzięki optycznym zegarom kratowym astronomowie będą w stanie lepiej zrozumieć czarne dziury, a także poszukiwać ciemnej materii, która do dziś pozostaje nieuchwytna.
Ciemna materia w jakiś sposób musi oddziaływać ze zwykłą materią, inaczej niż tylko grawitacyjnie. Możemy być w stanie dostrzec bardzo słabe sygnatury możliwych składowych w sygnaturach zegara spowalnianego lub przyspieszanego, do którego trafia ciemna materia. Przygotowujemy już odpowiednie eksperymenty.Jun Ye