Jauna veida atomu pulkstenis ir precīzāks nekā jebkurš vēl uzbūvēts, ar iespēju netraucēti ķeksēt tūkstoš reižu visuma dzīves laikā. Jaunais, tā sauktais, kvantu gāzes pulkstenis ir līdz šim labākais laika kontrolieris, un tas kādu dienu varētu piedāvāt arī ieskatu jaunajā fizikā.
JILA (iepriekš minēts arī kā Apvienotais laboratorijas astrofizikas institūts) pētnieki izmantoja stroncija atomu kombināciju un lāzera staru masīvu, lai izveidotu pulksteni, kas ir tik precīzs, ka tas varētu izmērīt gravitācijas mijiedarbību mazākā mērogā nekā jebkad agrāk . To darot, tas varētu parādīt savu attiecību būtību ar citiem pamata spēkiem - noslēpumu, kas fiziķus satraucis gadu desmitiem ilgi.
Atomu pulksteņi mēra laiku, izmantojot atomu vibrācijas, piemēram, ļoti precīzu metronomu. Pašreizējie atomu pulksteņi tiek izslēgti sekundēs desmitiem miljardu gadu laikā. Šī jaunākā iterācija paliek pietiekami precīza, ka aptuveni 90 miljardu gadu laikā tā tiks izslēgta tikai par vienu sekundi.
Lai panāktu šāda veida precizitāti, komanda atdzesēja stroncija atomus, lai neļautu tiem pārvietoties un sasisties savā starpā - kaut kas tāds, kas var izmest viņu vibrācijas. Pirmkārt, viņi ar lāzeriem skāra atomus. Kad lāzeru ietekmē fotoni, atomi absorbēja enerģiju un atkārtoti izstaroja fotonu, zaudējot kinētisko enerģiju un kļūstot aukstākam. Bet tas viņus pietiekami neatdzesēja. Tāpēc, lai tos padarītu vēl aukstākus, komanda paļāvās uz iztvaikošanas dzesēšanu, ļaujot dažiem stroncija atomiem iztvaikot un uzņemt vēl vairāk enerģijas. Viņiem tika atstāti no 10 000 līdz 100 000 atomiem, ja temperatūra bija tikai 10 līdz 60 miljardās daļas no grāda virs absolūtās nulles jeb mīnus 459 grādi pēc Fārenheita (mīnus 273 grādi pēc Celsija).
Auksti atomi tika ieslodzīti ar 3D lāzera izkārtojumu. Sijas tika uzstādītas, lai netraucētu viena otrai. To darot, viņi izveidoja reģionus ar zemu un augstu potenciālu enerģiju, ko sauc par potenciālajām akām. Akas darbojas kā sakrautas olu kārbas, un katrā no tām ir stroncija atoms.
Atomi kļuva tik auksti, ka pārstāja savstarpēji mijiedarboties - atšķirībā no parastās gāzes, kurā atomi nejauši skraida apkārt un atlec no saviem līdzcilvēkiem, šādi atdzesēti atomi paliek diezgan mierīgi. Pēc tam viņi sāk izturēties mazāk kā gāze un vairāk kā cieta viela, kaut arī attālums starp tām ir daudz lielāks nekā cietajā stroncijā.
"No šī viedokļa tas ir ļoti interesants materiāls; tam tagad ir tādas īpašības kā it kā cietā stāvoklī," projekta vadītājs Jūns Jē, Nacionālā standartu un tehnoloģijas institūta fiziķis, pastāstīja Live Science. (JILA kopīgi vada NIST un Kolorādo universitāte Boulderā.)
Šajā brīdī pulkstenis bija gatavs sākt glabāt laiku: pētnieki ar lāzeru skāra atomus, aizraujot vienu no elektroniem, kas riņķo ap stroncija kodolu. Tā kā elektronus regulē kvantu mehānikas likumi, nevar pateikt, kāds enerģijas līmenis ir elektronam, kad tas ir satraukts, un var tikai teikt, ka tam ir varbūtība atrasties vienā vai otrā. Lai izmērītu elektronu, pēc 10 sekundēm viņi pie atoma izšāva vēl vienu lāzeru. Lāzers mēra, kur elektrons atrodas ap kodolu, kad atoms atkārtoti izstaro fotonu no lāzera un cik reizes tas svārstījās šajā periodā (10 sekundes).
Šī atoma pulksteņa precizitāti piešķir šī mērījuma vidējā vērtība tūkstošiem atomu, tāpat kā, aprēķinot tūkstošiem identisku svārstu sitienu, tiks iegūts precīzāks priekšstats par to, kādam jābūt šī svārsta periodam.
Līdz šim atomu pulksteņiem bija tikai vienas atomu "virknes" pretstatā 3D režģim, tāpēc viņi nevarēja veikt tik daudz mērījumu, cik šis izdarīja, sacīja Ye.
"Tas ir tāpat kā pulksteņu salīdzināšana," Ye teica. "Izmantojot šo analoģiju, lāzera impulss uz atomiem izstaro koherentu svārstību. Desmit sekundes vēlāk mēs atkal ieslēdzam impulsu un jautājam elektronam:" Kur tu esi? "" Šim mērījumam tiek aprēķināta vidējā vērtība tūkstošiem atomu.
Ye teica, ka ir grūti uzturēt elektronus šādā starpposma stāvoklī, un tas ir vēl viens iemesls, kāpēc atomiem jābūt tik aukstiem, lai elektroni nejauši nepieskartos kaut kam citam.
Pulkstenis būtībā var sekundes izmērīt līdz vienai triljonu daļai. Šī spēja padara vairāk nekā patiešām labu laika kontrolieri; tas varētu palīdzēt meklēt tādas parādības kā tumšā matērija, sacīja Ye. Piemēram, varētu izveidot eksperimentu kosmosā, izmantojot tik precīzu taimeri, lai noskaidrotu, vai atomi uzvedas atšķirīgi no tā, ko paredz tradicionālās teorijas.
Pētījums ir detalizēti aprakstīts žurnāla Science 6. oktobra numurā.
