Toată lumea trebuie să știe ora. Încă din secolul al XVII-lea, inventatorul olandez Christiaan Huygens a realizat primul ceas cu pendul, iar oamenii s-au gândit la motive întemeiate pentru a măsura timpul mai precis. Acum, cercetătorii vor să redefinească conceptul de secundă. Iată de ce.

Aflarea timpului corect este important în atât de multe moduri, de la conducerea unei căi ferate până la tranzacții de milisecunde pe piața de valori. Acum, pentru majoritatea dintre noi, ceasurile noastre se verifică automat cu un semnal de la ceasurile atomice, precum cele de la bordul sateliților sistemului de poziționare globală (GPS).

Dar un studiu recent realizat de două echipe de oameni de știință din Boulder, Colorado ar putea însemna că aceste semnale vor deveni mult mai exacte, deschizând calea pentru a ne permite în mod eficient să redefinim conceptul de secundă mai precis. Ceasurile atomice ar putea deveni atât de precise, de fapt, încât am putea începe să măsurăm unde gravitaționale imperceptibile anterior.

Scurtă istorie a timpului

Ceasurile moderne folosesc în continuare ideea de bază a lui Huygens. Această idee a fost mult îmbunătățită în secolul al XVIII-lea de John Harrison, care și-a dat seama că oscilatoarele mai mici, cu frecvență mai mare, au rezonanțe mai stabile, făcând ceasurile mai fiabile.

În zilele noastre, majoritatea ceasurilor de zi cu zi folosesc o mică bucată de cristal de cuarț în formă de diapozitiv muzical în miniatură, cu o frecvență și stabilitate foarte ridicate. Nu s-au schimbat multe lucruri cu acest design de ceas în ultimele sute de ani.

Diferența masivă în zilele noastre este modul în care verificăm ceasurile. Până în 1955, trebuia să îți schimbi încontinuu ceasul, după fenomene astronomice foarte regulate, cum ar fi Soarele sau lunile lui Jupiter. Acum ne setăm ceasurile după oscilațiile naturale din interiorul atomilor.

Ceasul atomic a fost construit pentru prima dată de Louis Essen. A fost folosit pentru redefinirea celui de-al doilea în 1967, definiție care a rămas aceeași de atunci.

Funcționează prin numărarea frecvenței de răsturnare a unei proprietăți cuantice numite spin în electronii din atomii de cesiu. Această rezonanță atomică naturală este atât de ascuțită încât poți afla dacă semnalul ceasului cu cristal de cuarț se abate în frecvență cu mai puțin de o milionime de sutime dintr-un miliard. O secundă este definită oficial ca 9192.631.770 de oscilații de rotire a electronilor de cesiu.

Faptul că putem produce astfel de oscilatoare cu precizie face ca frecvența și timpul să fie cele mai precise măsurate dintre toate mărimile fizice. Trimitem semnale de la ceasurile atomice din întreaga lume și în spațiu prin GPS. Oricine are un receptor GPS în telefonul mobil are acces la un dispozitiv de măsurare a timpului uimitor de precis.

Dar putem face ceasuri mai bune care să ne permită să măsurăm frecvența sau timpul și mai precis?

Răspunsul ar putea fi tot așa cum a aflat John Harrison: să mergem mai sus în frecvență.

Rezonanța prin rotire cu cesiu are o frecvență corespunzătoare microundelor, dar unii atomi au rezonanțe pentru lumina optică, cu o frecvență de un milion de ori mai mare. Ceasurile atomice optice au arătat comparații extrem de stabile între ele, cel puțin atunci când o pereche dintre ele este plasată la doar câțiva metri distanță.

Oamenii de știință se gândesc dacă definiția internațională a secundei ar putea fi redefinită pentru a o face mai precisă. Dar pentru a realiza acest lucru, diferitele ceasuri optice pe care le-am folosi pentru a păstra timpul precis trebuie să fie de încredere pentru a citi în același timp, chiar dacă acestea se află în laboratoare diferite, la mii de kilometri distanță. Până în prezent, astfel de teste pe distanțe lungi nu au fost mult mai bune decât pentru ceasurile cu microunde.

Acum, folosind un nou mod de a lega între ele ceasurile cu lasere ultrarapide, cercetătorii au arătat că diferite tipuri de ceasuri atomice optice pot fi amplasate la câțiva kilometri distanță. Acest lucru este la fel de bun ca măsurătorile anterioare cu perechi de ceasuri identice la câteva sute de metri distanță, dar de aproximativ o sută de ori mai precise decât cele realizate anterior cu ceasuri diferite sau distanțe mari.

Ce s-ar întâmpla dacă am redefini conceptul de secundă

Autorii noului studiu au comparat ceasuri multiple bazate pe diferite tipuri de atomi – itterbiu, aluminiu și stronțiu. Ceasul de stronțiu era situat în Universitatea din Colorado, iar celelalte două se aflau la Institutul Național de Tehnologie din SUA.

Studiul a conectat ceasurile cu un fascicul laser prin aer peste 1,5 km de la clădire la clădire, iar această legătură s-a dovedit a fi la fel de bună ca o fibră optică, în ciuda turbulențelor aerului.

Dar de ce avem nevoie de ceasuri atât de precise? Deși atomii din ceas ar trebui să fie exact aceiași oriunde stă ceasul și oricine îl privește, pot apărea mici diferențe utile atunci când măsurătorile timpului sunt atât de precise.

Conform teoriei relativității generale a lui Einstein, gravitația distorsionează conceptul spațiu-timp și putem măsura această distorsiune. Ceasurile optice au fost deja utilizate pentru a detecta diferența în câmpul gravitațional al Pământului prin mișcarea de doar un centimetru înălțime.

Cu ceasuri mai precise, poate am putea simți fluctuațiile scoarței terestre și am putea prevedea erupțiile vulcanice. De asemenea, au fost văzute unde gravitaționale produse de fuziunile găurilor negre îndepărtate – poate că vom putea acum să detectăm unde mult mai sensibile.