Ali je čas, da znova določimo čas?

​Andrew Ludlow’s ni običajna ura. Zapleten preplet cevi, kablov in laserjev, ki zaseda celotno sobo v laboratoriju v Boulderju v Koloradu, je ena najkvalitetnejših naprav za merjenje časa, ki so jih kadarkoli izdelali, je lamborghini atomskih ur. A to ne pomeni, da je tako hitra. Ura Yb-2 je, kot je znano, zelo natančno zasnovana. Pravzaprav bi morala vsako sekundo meriti tako natančno, da približno 20 milijard let, več kot je staro vesolje, ne bi zgrešila niti najmanjšega dela časovne enote. To je osupljiva meja natančnosti, v kateri je zdaj merjenje časa, ugotavlja Rachel Nuwer v članku za New Scientist. Ure, kot je Ludlowova, bi lahko spodbudile še nepredstavljive tehnološke inovacije. Lahko bi spremenile naše razumevanje vesolja in razkrile razpoke v ustaljenih fizikalnih zakonih in spremembe temeljnih konstant narave, ki jih sicer ne bi bilo mogoče zaznati. Toda za metrologa, kot je Ludlow, postavljajo še bolj temeljno vprašanje: ali je čas, da ponovno določimo čas?

Zemlja ni zanesljiv metronom

Morda bi se zdelo čudno, če bi razmislili, kaj je temeljna lastnost vesolja. Tok časa je enigma; mnogi fiziki celo trdijo, da gre zgolj za iluzijo. Toda ura je naš izum. Določili smo osnovne enote - ure, minute in sekunde, ki razbijejo dan. So podrazdelki časa, ki ga potrebuje Zemlja, da se zavrti okoli svoje osi. Ko je astronom Christiaan Huygens v 17. stoletju izumil nihajno uro, se je sekunda uveljavila kot 1/86.400 solarnega dne, dejavnik, ki izhaja iz delitve dneva na 24 ur, nato 60 minut na uro in nazadnje 60 sekund na minuto.

Toda Zemlja ni zanesljiv metronom. Trajanje vrtenja se dnevno spreminja v mikrosekundah in se postopoma in počasi upočasnjuje, kar pomeni, da se sekunda postopoma podaljša. To je postal problem v začetku 20. stoletja, ko sta eksperimentalno preverjanje kvantne mehanike in pojav radiodifuzije zahtevala stabilnejšo in natančnejšo časovno enoto. Ta je sčasoma nastala z mikrovalovno atomsko uro: časomerom, ki utripa v skladu s frekvenco mikrovalovnega sevanja, ki ga oddajajo hitra nihanja v atomih cezija, kjer elektroni skačejo naprej in nazaj med tesno razporejenimi nivoji energije.

Prva mikrovalovna atomska ura je bila predstavljena v Nacionalnem fizikalnem laboratoriju (NPL) v Teddingtonu v Veliki Britaniji leta 1955. Natančnost je znašala eno sekundo vsakih 300 let, kar pomeni, da dve takšni uri ne bi delovali sinhrono samo za eno sekundo na vsaka tri stoletja. Kmalu je takšna natančnost spremenila način merjenja osnovne enote časa. Leta 1967 so predstavniki na 13. generalni konferenci o utežeh in merilih v Parizu sekundo uradno na novo opredelili kot "trajanje 9.192,631.770 obdobij sevanja, ki ustreza prehodu med obema hiperfinima nivojema osnovnega stanja atoma cezija-133".

Nova sekunda ni bila daljša ali krajša od stare. Toda sprememba je zagotovila veliko natančnejšo opredelitev tega trajanja in močno izboljšala obseg, za katerega smo lahko prepričani, da je vsaka sekunda enaka naslednji in tudi tisti za njo.

To je časovni standard, ki velja še danes, četudi se je natančnost mikrovalovnih atomskih ur tako izboljšala, da najboljše cezijeve ure zdaj merijo čas z natančnostjo 1 sekunde v približno 300 milijonih letih. In ta ukrep nam je dobro služil. Stalni utrip vibracij atoma cezija podpira vse sodobne tehnologije, od GPS in pametnih telefonov do interneta in električnih omrežij, ki zahtevajo izjemno natančno sinhronizacijo.

A to ni več največ, kar lahko naredimo - niti najmanj. Ludlow, fizik iz laboratorija za fizično merjenje Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) v ZDA, je eden od mnogih raziskovalcev, ki se ukvarjajo z optičnimi atomskimi urami, novo generacijo merilnih ur, ki obljubljajo, da bodo še enkrat dramatično izboljšale natančnost merjenja časa. Že dolgo vemo, da drugi atomi nihajo veliko hitreje kot cezij. Stroncij in iterbij izstopata, ker imajo elektroni, ki obdajajo jedra, stabilna vzbujena stanja, ki jih ovirajo moteče zunanje sile, kot so temperatura ter električna in magnetna polja. Težava je bila vedno v tem, da njihovi elektroni tako hitro prehajajo med nivoji energije, da jih ni bilo enostavno prešteti. To je leta 1999 omogočila naprava, imenovana optični frekvenčni računalnik, ki v bistvu pretvori atomska nihanja, izmerjena v optičnem območju, v mikrovalovne frekvence. Prvič je bilo mogoče hitrosti, s katerimi optične ure delujejo, medsebojno umerjati in določiti standard, ki ga določa atom cezija.

Definicija sekunde ni več najboljša

Tehnika je sprožila neke vrste tekmovanje, saj so laboratoriji po vsem svetu tekmovali za izdelavo vedno natančnejših optičnih ur. Trenutno med najboljšimi kandidati niso le Ludlowova ura Ytterbium v ​​NIST, ampak tudi podobna naprava v laboratoriju Riken Quantum Metrology v Tokiu, stroncijeve ure v NIS in ure v Nacionalnem meroslovnem inštitutu Nemčije v Braunschweigu.

Te optične ure so že dosegle natančnost, ki je skoraj za dve stopnji večja kot pri urah na osnovi cezija - do te mere, da bi večina v celotni zgodovini vesolja izgubila le eno sekundo. To se morda zdi neverjetno. Zapestne ure in iPhoni ne potrebujejo natančnosti do 18 mest. A če bi jih lahko naredili kot prenosne, bi lahko optične atomske ure uporabili za vse vrste praktičnih namenov, od sledenja gibanju do odkrivanja vulkanske aktivnosti in potresov. Verjetno bodo prinesle tudi številne nove tehnologije in preboje, na katere še nismo niti pomislili - in to, še preden se lotimo temeljnih fizikalnih vprašanj, ki bi jih lahko pomagali rešiti natančnejši merilniki časa.

"To je nekakšen odnos 'če uspeš, bodo prišli'," pravi Anne Curtis, metrologinja pri NPL. "Pred petdesetimi leti, ko so ljudje prvič razmišljali o satelitih GPS, nihče ni pomislil, da se bomo v resničnem času sprehajali z ročnimi računalniki, ki uporabljajo GPS, samo da bi prišli do restavracije."

Kaj torej čakamo? Če so optične ure že dosegle tako rekordno natančnost, zakaj svet že ne deluje po njihovem vrhunskem delovanju? "Odkrito povedano, nekoliko nerodno je imeti optične ure, ki so boljše kot definicija sekunde," pravi Franklyn Quinlan iz NIST. Težava je v tem, da obstaja seznam zapletov, ki jih je treba odpraviti, preden lahko vzpostavimo nov mednarodni časovni standard.

Za začetek morate povezati signale, ki prihajajo iz optičnih atomskih ur, z vso obstoječo elektronsko infrastrukturo, ki je trenutno sinhronizirana z uporabo ur na osnovi mikrovalov. To je zapleteno, saj poleg optičnega frekvenčnega računalnika potrebuje tudi ločen kos strojne opreme, imenovan optično-električni pretvornik, da pretvori svetlobne impulze v električni signal. Dolgo namreč ni bilo jasno, da je mogoče čas, ki ga merijo optične ure, prevesti v mikrovalovno frekvenčno območje za uporabo v elektroniki.

Toda v začetku tega leta so Quinlan, Ludlow in njihovi kolegi odpravili to težavo. Po desetletju dela so končno dokazali, da prevajanje, ki ga zagotavljajo optični frekvenčni računalniki, daje mikrovalovne signale s 100-krat večjo stabilnostjo v primerjavi z najboljšimi mikrovalovnimi atomskimi urami. "Glede na to, da je bilo potrebnih 20 let stalnih izboljšav, da se je nazadnje za desetkrat povečala stabilnost mikrovalovnega signala, menimo, da je nenadno 100-kratno povečanje velik napredek," pravi Quinlan. Curtis se strinja. "Kot del načrta za novo opredelitev sekunde je bistvena zahteva, da lahko prihodnjo optično ločljivost ponovno povežemo s trenutno definicijo mikrovalov," pravi. "To dokazuje na najvišjih ravneh."

Metrologi zdaj razpravljajo o zamisli, da bi na naslednji generalni konferenci o tehtanju in merjenju, predvideni za leto 2026, predložili predlog za glasovanje o uradni redefiniciji. Da bi se to zgodilo, se morajo najprej dogovoriti za odpravo nekaterih ovir. Za začetek se bodo morali metrologi odločiti za mejno točko, raven natančnosti, za katero se vsi strinjajo, da je dovolj za ponovno opredelitev. "Ljudje se morajo dogovoriti, koliko boljši morajo biti od (trenutne) definicije, preden bi jo na novo definirati," pravi Curtis.

Končno odštevanje?

Ko bo to urejeno, bodo morali razvozlati, katero vrsto optične atomske ure je treba uporabiti za nastavitev uradne ponastavitve. V laboratorijih po vsem svetu razvijajo vsaj deset različnih modelov, nobeden med njimi pa še ni najboljša izbira. Ure se razlikujejo ne samo po vrstah uporabljenih atomov, ampak tudi po njihovi arhitekturi. Ena od vodilnih zasnov, optična mrežna ura, hkrati meri nihanja približno 10.000 nevtralnih atomov, da se zagotovi stabilno, hitro odčitavanje. Primer tega je ura NIST Yb-2. Drugi modeli vključujejo ionsko uro, ki meri frekvenco prehoda enega samega izoliranega, naelektrenega atoma na način, ki lahko pomaga zmanjšati negotovost. Težava enoatomskih ur je, da oddajajo manjši signal kot rešetkaste ure in tako potrebujejo več časa za meritve.

Fritz Riehle, nekdanji vodja optike pri Nacionalnem meroslovnem inštitutu v Nemčiji, pravi, da je raznolikost zasnove ure za zdaj dobra, saj ponuja različne rešitve. Toda sčasoma bo treba eno okronati za zmagovalca. Ta odločitev bo navsezadnje v rokah odbora oziroma predstavnikov na generalni konferenci o tehtanju in merjenju; zaključek izbire bo tako temeljil na priporočilu številnih strokovnjakov, odborov, delovnih skupin in podskupin. Poimenovanje končnega zmagovalca bo verjetno bolj človeški kot znanstveni problem, pravi Riehle, čeprav je prepričan, da bo "odpravljen na konkurenčen, a spoštljiv način".

Narava postavlja temeljno omejitev

Preden pa pridemo do te točke, je treba odpraviti znanstvene ovire - ne nazadnje tudi preverjanje različnih meritev, ki jih ustvarijo ure. Ta postopek zagotavlja doslednost in ponovljivost ter se uporablja za primerjavo optičnih ur med seboj in z najboljšimi mikrovalovnimi urami. Skupine v Koloradu, Franciji, Nemčiji, Veliki Britaniji, Italiji in na Japonskem so že začele uporabljati optična vlakna za povezovanje optičnih ur za lažje primerjave. Toda laboratoriji včasih še vedno dajejo nekoliko drugačne rezultate, kar raziskovalcem pušča možnost za odpravljanje težav.

Po Curtisu je to del procesa. "Umetnost in znanost v meroslovju sta v resnici ocena vsega, kar lahko gre narobe," pravi. "Nobenega razloga ni, da v naslednjih petih letih ne bi mogli ugotoviti, kaj gre narobe z našimi urami, in zagotoviti, da ne bo."

Kako dolgo bo trajala nova definicija sekunde, je zgolj ugibanje. Tako kot njihovi predhodniki na osnovi mikrovalov bodo tudi optične atomske ure v določenem trenutku presežene. Pravzaprav ljudje že razmišljajo o urah, ki temeljijo na prehodih znotraj jedra atoma in ne na oblaku elektronov, ki krožijo okoli njega. "Izbrati želimo nekaj, kar bo trajalo dalj časa," pravi Patrizia Tavella, direktorica oddelka za merjenje časa pri mednarodnem uradu za tehtanje in merjenje v Franciji. "Razumemo pa tudi, da ne moremo imeti nečesa, kar bi trajalo večno."

Tudi prihodnje generacije atomskih ur se bodo sčasoma morale spoprijeti z naravo časa, kot jo opisuje Einsteinova splošna teorija relativnosti, ki napoveduje, da ura kljub vsemu deluje nekoliko hitreje za vsak centimeter dviga znotraj gravitacijskega polja Zemlje. Ko natančnost naših najboljših merilnikov časa seže v vedno več številk, bodo premiki na tem področju postali ovira. Na neki točki bomo naleteli na "temeljno omejitev, ki nam jo postavlja narava pri tem, kako natančno lahko merimo čas", pravi Jun Ye, fizik pri NIST. Najverjetneje je torej, da nam bo brezčasna definicija osnovne časovne enote, tako kot čas sam, vedno ušla, zaključi New Scientist.