Kínai kutatók olyan új generációs atomórát fejlesztettek, amelynek pontossága messze felülmúlja a ma használt időmérő eszközökét, és ezzel hosszabb távon akár a másodperc hivatalos definícióját is átírhatja. A másodperc jelenlegi meghatározása céziumatomok rezgéséhez kötött; ez a standard évtizedek óta szolgálja a tudományt, a navigációt és a kommunikációt, de az egyre pontosabb technológiák kezdenek kinőni belőle.
A most bemutatott kínai óra már nem céziumra, hanem egy másik elem – például stroncium – optikai átmeneteire támaszkodik. Ezek az úgynevezett optikai rácsos órák nagyságrendekkel gyorsabban „tikkenek”, mint a hagyományos mikrohullámú atomórák, ezért sokkal finomabb időfelbontást tesznek lehetővé. A kínai fejlesztés érdekessége, hogy 19 tizedesjegy pontossággal képes mérni a másodperceket, ami olyan stabil, hogy az óra az univerzum feltételezett életkora alatt sem tévedne egy másodpercet sem.
Hogyan működik egy optikai rácsos óra?
Az optikai rácsos órák alapja az, hogy atomok meghatározott energiaszintek között váltanak, miközben rendkívül stabil frekvencián bocsátanak ki vagy nyelnek el fényt. Az óra magját egy ultrahideg atomfelhő alkotja, amelyet lézerekkel „rácsba zárnak” – innen ered az elnevezés. Ebben az állapotban az atomok mozgása minimálisra csökken, így a mérésre használt átmenet frekvenciája rendkívül tisztán és ismételhetően figyelhető meg.
A hagyományos cézium-órák mikrohullámú tartományban dolgoznak, míg az optikai órák a fény sokkal magasabb frekvenciáját használják. Ez nagyjából olyan különbség, mintha egy másodpercet nem durva másodpercosztásokra, hanem elképesztően finom „mikrorezdülésekre” bontanánk. Minél több „osztás” van, annál pontosabban lehet meghatározni, hogy éppen hol tartunk az időben.
Mitől különleges a kínai fejlesztés?
A kínai kutatócsoport az eddigi optikai órákhoz képest is extrém stabilitást és pontosságot ért el. A 19 tizedesjegy pontosságú mérés azt jelenti, hogy az óra relatív hibája 10⁻¹⁹ nagyságrendű – ez a gyakorlatban felfoghatatlanul kicsi eltérés. Ha egy ilyen óra a világegyetem keletkezése óta működne, még akkor sem tévedne érzékelhetően egy másodpercet.
Ez a szintű precizitás nemcsak technológiai bravúr, hanem komoly tudományos jelentőséggel is bír. Lehetővé teszi például a gravitációs idődilatáció – az általános relativitáselmélet egyik következménye – kimutatását már nagyon kicsi magasságkülönbségek esetén is: egy magasabb emeletre vitt ilyen óra már érzékelhetően „gyorsabban jár”, mint a földszinten maradó párja.
Miért fontos ez a mindennapokban?
Bár elsőre úgy tűnhet, hogy ennyire finom időmérés csak a fizikusok játszótere, valójában a modern társadalom számos kulcsrendszere az extrém pontos időszinkronra épül. A műholdas navigáció (GPS és társai), a távközlési hálózatok, a nagy sebességű adatátvitel, sőt a pénzügyi tranzakciók időbélyegzése is mind-mind nagy pontosságú órák összehangolt működését igényli.
Minél pontosabb az időmérés, annál stabilabb és megbízhatóbb lehet a globális pozicionálás, a földmérés, a tudományos megfigyelések és a kommunikáció. A következő generációs optikai órákra épülő rendszerek a jövőben centiméteres pontosságú navigációt, még precízebb geodéziai méréseket és finomabb földmegfigyelést tehetnek lehetővé – például a tektonikus mozgások, a jégsapka-változások vagy a tengerszint-emelkedés monitorozásában.
A másodperc jövője: jöhet az új definíció?
Az ilyen és hasonló fejlesztések hosszú távon arra késztetik a nemzetközi metrológiai szervezeteket, hogy újragondolják a másodperc hivatalos definícióját. A cél az, hogy az idő SI-alapegysége olyan fizikai folyamatra épüljön, amely a gyakorlatban is a lehető legjobban realizálható és reprodukálható.
Ma a céziumalapú definíció még elegendő a legtöbb alkalmazáshoz, de a Kínában fejlesztett optikai rácsos órához hasonló szuperpontos időmérők megmutatják, hogy a technológia már túlhaladta a jelenlegi standardot. A következő évtizedek egyik fontos kérdése lesz, hogy az időmérésben is hivatalosan átállunk-e az optikai órák új korszakára – és ebben a versenyben Kína most látványosan az élmezőnybe lépett.