Τέλος στην αμερικανική ηγεμονία του χρόνου; Η διπλή επιτυχία της Κίνας με τα ρολόγια Στροντίου και Θορίου

Η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα βρίσκεται μπροστά σε μια ιστορική καμπή όσον αφορά τη μέτρηση του χρόνου, καθώς ερευνητές στην Κίνα ανακοίνωσαν την επίλυση ενός θεμελιώδους προβλήματος φυσικής που παρέμενε άλυτο για δεκαετίες. Όπως επιβεβαιώνουν δημοσιεύματα του διεθνούς Τύπου και επιστημονικές ανακοινώσεις από το Πεκίνο, η Κίνα πέτυχε δύο ταυτόχρονες νίκες: την ανάπτυξη της απαραίτητης τεχνολογίας λέιζερ για τη δημιουργία του πρώτου «πυρηνικού ρολογιού» και την επίσημη ένταξη των οπτικών ρολογιών της στον καθορισμό της παγκόσμιας ώρας (UTC).

Το «κλειδί» του Θορίου-229

Η σημαντικότερη είδηση έρχεται από το Πανεπιστήμιο Tsinghua και την Ακαδημία Κβαντικών Επιστημών Πληροφορίας του Πεκίνου. Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να υπερβεί το μεγαλύτερο εμπόδιο για την κατασκευή πυρηνικών ρολογιών: την πηγή διέγερσης.

Η θεωρία πίσω από τα πυρηνικά ρολόγια βασίζεται στο ισότοπο Θόριο-229, το οποίο διαθέτει μια εξαιρετικά σπάνια ιδιότητα: μια ενεργειακή μετάβαση σε συχνότητες που μπορούν – θεωρητικά – να διεγερθούν από λέιζερ. Ωστόσο, η απαιτούμενη συχνότητα βρίσκεται στο φάσμα του κενού υπεριώδους (VUV), συγκεκριμένα στα 148,4 νανόμετρα (nm). Μέχρι σήμερα, η δημιουργία ενός λέιζερ σε αυτό το μήκος κύματος με την απαιτούμενη ακρίβεια και ισχύ φάνταζε αδύνατη.

Η κινεζική ομάδα έδωσε τη λύση αναπτύσσοντας μια καινοτόμο πηγή λέιζερ VUV. Χρησιμοποιώντας μια τεχνική υψηλής ισχύος και τη μέθοδο «μίξης τεσσάρων κυμάτων» σε ατμούς καδμίου, πέτυχαν την παραγωγή της δέσμης των 148,4 nm. Το εντυπωσιακό στοιχείο δεν είναι μόνο το μήκος κύματος, αλλά το εύρος ζώνης (linewidth) που είναι μικρότερο από 100 Hz. Αυτή η ακρίβεια είναι απαραίτητη για να «ξεκλειδώσει» τον πυρήνα του θορίου και να επιτρέψει τη λειτουργία του ρολογιού.

Γιατί υπερέχει το Πυρηνικό Ρολόι

Η μετάβαση από τα ατομικά στα πυρηνικά ρολόγια δεν είναι απλώς μια βελτίωση, αλλά άλμα ποιότητας. Τα σημερινά ατομικά ρολόγια μετρούν τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων γύρω από το άτομο. Τα ηλεκτρόνια όμως είναι ευαίσθητα σε εξωτερικές παρεμβολές, όπως μαγνητικά πεδία και θερμοκρασιακές αλλαγές, γεγονός που επηρεάζει την ακρίβεια.

Αντιθέτως, το πυρηνικό ρολόι βασίζεται στις διεγέρσεις του ίδιου του πυρήνα του ατόμου (εν προκειμένω του Θορίου-229). Ο πυρήνας είναι φυσικά θωρακισμένος από το νέφος των ηλεκτρονίων, καθιστώντας τον σχεδόν απρόσβλητο από εξωτερικούς παράγοντες. Το αποτέλεσμα θα είναι ένα ρολόι τόσο σταθερό που θα χάνει λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο σε δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια, προσφέροντας ακρίβεια που ξεπερνά κάθε φαντασία.

Διεθνής αναγνώριση για το Ρολόι Στροντίου

Ενώ η έρευνα για το πυρηνικό ρολόι αφορά το μέλλον, η Κίνα εδραιώνει την κυριαρχία της και στο παρόν, καθώς το οπτικό ρολόι πλέγματος στροντίου της χώρας έλαβε τη σφραγίδα της διεθνούς αναγνώρισης.

Το ρολόι αυτό απέδειξε ακρίβεια της τάξης του 10^-18, κάτι που σημαίνει ότι χάνει ένα δευτερόλεπτο κάθε 7,2 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή η επίδοση οδήγησε το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (BIPM) να το εντάξει στη λίστα των προτύπων συχνοτήτων που καθορίζουν τον Διεθνή Ατομικό Χρόνο (TAI).

Η εξέλιξη αυτή έχει τεράστια γεωπολιτική σημασία. Μέχρι πρότινος, η ακριβής μέτρηση του χρόνου και ο συγχρονισμός των παγκόσμιων συστημάτων ήταν προνόμιο κυρίως των ΗΠΑ, της Ευρώπης και της Ιαπωνίας. Με την ένταξη του κινεζικού ρολογιού στα παγκόσμια πρότυπα, το Πεκίνο αποκτά ισότιμο λόγο στον ορισμό του «δευτερολέπτου», σπάζοντας την ηγεμονία της Δύσης σε έναν τομέα κρίσιμο για την ασφάλεια και την οικονομία.

Εφαρμογές πέρα από την ώρα

Ο συνδυασμός των δύο αυτών επιτευγμάτων – η τρέχουσα επιτυχία του ρολογιού στροντίου και η μελλοντική υπόσχεση του πυρηνικού ρολογιού θορίου – ανοίγει νέους ορίζοντες. Η εξαιρετική ακρίβεια είναι απαραίτητη για:

• Αυτόνομη Πλοήγηση: Βελτίωση του κινεζικού συστήματος BeiDou και δυνατότητα πλοήγησης στο βαθύ διάστημα.
• Βασική Φυσική: Έλεγχος της σταθερότητας των θεμελιωδών σταθερών της φυσικής και αναζήτηση της σκοτεινής ύλης μέσω της παρατήρησης μικροσκοπικών διακυμάνσεων στον χρόνο.
• Γεωδαισία: Ακριβέστερη μέτρηση του βαρυτικού πεδίου της Γης για την πρόβλεψη φυσικών καταστροφών.

Η ανακοίνωση της ομάδας του Πανεπιστημίου Tsinghua για το λέιζερ των 148,4nm αποδεικνύει ότι η Κίνα δεν αρκείται στο να ακολουθεί τις εξελίξεις, αλλά πλέον θέτει τους ρυθμούς στην κούρσα της κβαντικής μετρολογίας.