Ar superprecīziem optiskajiem atompulksteņiem varētu pārdefinēt sekundi

Neatkāpjoties tik senos laikos, kad cilvēki laiku skaitīja ar saules pulksteņiem vai, piemēram, pēc tā, cik ilgā laikā ūdens piepilda noteikta tilpuma trauku vai cik ātri nodeg noteikta diametra un garuma svece, par samērā precīzu laika skaitīšanu varam runāt vien pēdējos dažos gadsimtos.

Pirmie mehāniskie pulksteņi ir vēl senāki, taču 17. gadsimta vidū īstu revolūciju šajā jomā ieviesa nīderlandiešu fiziķis, matemātiķis un astronoms Kristiāns Heigenss, izgudrojot svārsta pulksteni, kur laika pamatvienība – sekunde – ir piesaistīta noteiktam svārstību periodam jeb frekvencei. Vēl līdz 20. gadsimta sākumam svārsta pulksteņi bija precīzākās laika mērīšanas ierīces pasaulē. Tas mainījās 1927. gadā, kad tika izgudrots kvarca pulkstenis, kur elektronisku oscilatoru regulē kvarca kristāls.

Pēc būtības mūsdienu pulksteņi arī izmanto Heigensa ideju par laika skaitīšanu ar noteiktas frekvences oscilatoru.

Taču vēl līdz sešdesmitajiem gadiem sekundes definīcija bija piesaistīta Zemes rotācijai ap savu asi vai laikam, kurā Zeme veic vienu riņķi ap Sauli. Sākotnēji tā bija 1/86400 no diennakts. 1956. gadā Starptautiskā Svaru un mēru komiteja to piesaistīja 1900. gada tropiskajam gadam (laika sprīdim starp divām sekojošām Saules centra pāriešanām pavasara punktam jeb aptuveni 365,24 diennaktis). Tādējādi no 1956. gada līdz 1967. gadam viena sekunde bija 1/31556925,9747 no tropiskā gada.

Pirmo pulksteni, kas bija būtiski atšķirīga dizaina nekā mehāniskie vai kvarca pulksteņi, uzbūvēja 1949. gadā – tā darbības pamatā bija amonjaka molekulas svārstības. Taču līdz mūsdienu standartam – cēzija-133 atompulksteņiem – bija jāpagaida vēl daži gadi. Pirmo stabilo cēzija-133 atompulksteni uzbūvēja Apvienotās Karalistes Nacionālās fizikas laboratorijas fiziķis Luiss Esens (attēlā pa labi) 1955. gadā.

Tagad iedomājamies svārstu, kas sekundes laikā veic 9192631770 svārstības – tieši tik liela "izšķirtspēja" ir cēzija-133 atompulksteņiem. Lai vieglāk varētu uztvert cēzija atompulksteņu darbības principu, vērts noskatīties šo īso video. Tas gan ir angļu valodā, bet arī shematiski vizuāli ir viegli uztverami ilustrēts, kā cēzijs-133 palīdz "turēt" laiku.

Ja cēzija-133 dabiskā rezonanse, kas izraisa pāreju starp diviem cēzija atoma pamatstāvokļa hiperstruktūras līmeņiem, ir 9192631770 herci, tad ar optiskajiem atompulksteņiem varēs mērīt svārstības atomiem, kas "tikšķ" daudz, daudz ātrāk, ja tiek apstaroti ar noteikta viļņa garuma redzamo gaismu. Jo ātrāka šī "tikšķēšana", jo teorētiski smalkāk iespējams izmērīt sekundi, proti, definēt to ar daudz lielāku "izšķirtspēju".

Uz cēzija aizvietotāja lomu ir vairāki pretendenti, piemēram, stroncijs un iterbijs, taču atrast piemērotu elementu šim uzdevumam ne tuvu nav pati sarežģītākā lieta. Lai šādi optiskie atompulksteņi strādātu pareizi, izmantotā elementa atomi jāatdzesē gandrīz līdz absolūtajai nullei, tad jāapstaro ar ārkārtīgi precīzas frekvences gaismu. Tieši panākt, ka lāzers izstaro perfekto, nepieciešamo frekvenci, ir viens no galvenajiem izaicinājumiem. Arī otrs solis – svārstību skaitīšana –, prasa ārkārtīgi smalku un precīzu inženieriju.

Izdevums "The New York Times" vēstīja, ka jūnijā varētu būt izziņoti visi kritēriji, kas jāizpilda, lai varētu pārdefinēt sekundi. Tos varētu apstiprināt līdz šīs desmitgades beigām. Tālāk jau darbs zinātniekiem pie uzticamu un stabilu optisko pulksteņu izstrādes.

Galvenais ir nepārprast šī notikuma būtību – tas nenozīmēs, ka sekunde kļūs īsāka vai garāka. Vienkārši būs iespējams to daudz, daudz precīzāk izmērīt.

Šis nav arī tikai akadēmisks "vingrinājums" un pierādījums, ka iespējams izmērīt sekundi vēl precīzāk par cēzija atompulksteņiem. Ārkārtīgi precīzi laika mērījumi ir fundamentāli svarīgi gan ikdienā (piemēram, GPS sistēmu precīzā darbībā), gan zinātnē kopumā. Tā kā masa izliec laiktelpu, rezultātā laiks, piemēram, Everesta virsotnē, kur gravitācija ir vājāka, rit nedaudz ātrāk nekā jūras līmenī. Taču šīs atšķirības bez superprecīziem laikrāžiem izmērīt nevar. Jo precīzāk var izmērīt laiku, jo labāk iespējams izprast arī notikumus Visumā. Piemēram, šobrīd astronomi par tumšās matērijas eksistenci zina, vērojot galaktiku rotāciju. "Campus" par to detalizēti nesen stāstīja Latvijas zinātnieku grupas vadītājs CERN Kārlis Dreimanis. Taču šādi precīzi laika mērījumi pavērtu iespēju citādi neredzamo masu fiksēt arī tuvāk mums (ja tumšā matērija kaut kur tuvumā tiešām ir), novērojot ārkārtīgi niecīgas nobīdes tajā, cik ātri rit laiks, vēsta "Live Science".