Ένα από τα πιο θεμελιώδη μεγέθη στον φυσικό κόσμο, το δευτερόλεπτο, ενδέχεται σύντομα να αποκτήσει νέο ορισμό, χάρη σε μια σημαντική ερευνητική προσπάθεια που πραγματοποιήθηκε από κοινού σε έξι ευρωπαϊκές χώρες. Στόχος ήταν να συγκριθούν, για πρώτη φορά σε τόσο μεγάλη κλίμακα, δέκα εξαιρετικά ακριβή οπτικά ρολόγια, προσφέροντας νέα δεδομένα για τη μέτρηση του χρόνου με πρωτοφανή ακρίβεια.
Τα οπτικά ρολόγια αποτελούν την πιο εξελιγμένη εκδοχή των ατομικών ρολογιών. Αντί για άτομα και μικροκύματα, όπως στα παλαιότερα ρολόγια καισίου, χρησιμοποιούν lasers για να μετρούν με ακρίβεια πώς τα άτομα «πηδούν» ανάμεσα σε ενεργειακά επίπεδα. Η ακρίβειά τους είναι τέτοια, που αν λειτουργούσαν για δισεκατομμύρια χρόνια, θα αποκλίνουν λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Αυτή η ακρίβεια τα καθιστά υποψήφια για να αντικαταστήσουν τα υπάρχοντα πρότυπα στον καθορισμό του διεθνούς χρόνου.
Στο πλαίσιο της μελέτης, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν 38 μετρήσεις που είναι γνωστές ως «λόγοι συχνοτήτων». Τέσσερις από αυτές δεν είχαν ποτέ ξανά πραγματοποιηθεί άμεσα, ενώ πολλές άλλες έγιναν με σημαντικά μεγαλύτερη ακρίβεια από οποιαδήποτε προηγούμενη προσπάθεια. Το συνολικό πείραμα θεωρείται καίριο βήμα προς την κατεύθυνση της αντικατάστασης του ρολογιού καισίου ως διεθνούς προτύπου μέτρησης του δευτερολέπτου.
Η Helen Margolis από το National Physical Laboratory του Ηνωμένου Βασιλείου εξήγησε τη σημασία αυτών των εξελίξεων για την καθημερινότητα:
Η ακριβής μέτρηση του χρόνου από τα ατομικά ρολόγια είναι απαραίτητη για κρίσιμες τεχνολογίες όπως τα GPS, η διαχείριση των ηλεκτρικών δικτύων και η συγχρονισμένη εκτέλεση οικονομικών συναλλαγών.
Ένα από τα μεγαλύτερα τεχνικά εμπόδια της έρευνας ήταν η διασύνδεση των ρολογιών, τα οποία βρίσκονταν σε εργαστήρια διάσπαρτα σε όλη την Ευρώπη. Για να συγκριθούν τα ρολόγια μεταξύ τους, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν δύο μεθόδους: δορυφορικά σήματα GPS και ειδικά καλώδια οπτικών ινών. Η χρήση του GPS ήταν πιο εύκολη, αλλά λιγότερο ακριβής λόγω παρεμβολών και αστάθειας σήματος. Από την άλλη, τα δίκτυα οπτικών ινών σε Γαλλία, Γερμανία και Ιταλία πρόσφεραν ακρίβεια έως και 100 φορές μεγαλύτερη, αλλά λειτουργούσαν μόνο σε περιορισμένες αποστάσεις.
Στις περιπτώσεις όπου δύο ή περισσότερα ρολόγια βρίσκονταν στο ίδιο εργαστήριο, όπως σε εγκαταστάσεις στη Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο, οι ερευνητές κατέφυγαν σε κοντύτερες συνδέσεις με οπτικές ίνες, μειώνοντας έτσι την αβεβαιότητα των μετρήσεων ακόμη περισσότερο.
Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Optica, με τους ερευνητές να αναλύουν λεπτομερώς τις αποκλίσεις και τα πιθανά μοτίβα που προέκυψαν από τις συγκρίσεις των λόγων συχνοτήτων. Το εγχείρημα αποκάλυψε και κάποιες ασυμφωνίες, ωστόσο αυτό θεωρήθηκε θετικό, αφού έδωσε τη δυνατότητα να εντοπιστούν τα σημεία όπου ενδεχομένως υπήρχαν σφάλματα ή τεχνικά προβλήματα.
«Ορισμένα αποτελέσματα δεν συμφωνούσαν με τις θεωρητικές μας προβλέψεις», σημείωσε η Rachel Godun από το National Physical Laboratory. «Ωστόσο, η δυνατότητα να συγκρίνουμε τόσα πολλά ρολόγια ταυτόχρονα και με περισσότερες από μία μεθόδους διασύνδεσης μάς επέτρεψε να εντοπίσουμε την πηγή των αποκλίσεων με μεγαλύτερη ακρίβεια».
Ο Marco Pizzocaro από το ιταλικό INRiM επεσήμανε ότι η ερευνητική αυτή υποδομή λειτούργησε ουσιαστικά ως ένα κατανεμημένο εργαστήριο υψηλής ακρίβειας. Όπως είπε, μπορεί να αξιοποιηθεί στο μέλλον όχι μόνο για τον επανακαθορισμό του δευτερολέπτου, αλλά και για βαθύτερη θεμελιώδη φυσική έρευνα, όπως η αναζήτηση σκοτεινής ύλης ή η δοκιμή ορίων των φυσικών νόμων.
Το εγχείρημα απαίτησε υψηλό επίπεδο συντονισμού και μήνες προετοιμασίας για να εξασφαλιστεί ότι τα δέκα ρολόγια θα λειτουργούν ταυτόχρονα και θα καταγράφουν αξιόπιστα δεδομένα. Σύμφωνα με τον Thomas Lindvall από το VTT MIKES της Φινλανδίας, η συστηματική προσέγγιση επιτρέπει τον εντοπισμό ασυμφωνιών και ενισχύει την αξιοπιστία των μετρήσεων.
Αν και απαιτείται να γίνουν ακόμα μερικά βήματα για τη μείωση της αβεβαιότητας και τη διασφάλιση της μακροχρόνιας σταθερότητας των οπτικών ρολογιών, το ερευνητικό αυτό project φέρνει την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα πιο κοντά στον επαναπροσδιορισμό του χρόνου όπως τον γνωρίζουμε σήμερα.
[via]
