Nowy zegar atomowy MIT jest tak dokładny, że może wykrywać ciemną materię18.12.2020

Wynalazek może przyczynić się do fascynujących odkryć.

Przez lata ludzie mierzyli czas na różne sposoby, ale zegar atomowy to wynalazek, który pojawił się w minionym wieku. Jego działanie nie jest warunkowane wewnętrzną mechaniką ani ruchami Słońca na nieboskłonie. Zegar atomowy ocenia tak naprawdę własności emisyjne konkretnych atomów, czyli ich drgania. Jest tak dokładny, że jeśli liczyłby czas od początku wszechświata aż do teraz, to pomyliłby się maksymalnie o pół sekundy. Niedawne osiągnięcie naukowców z Massachusetts Institute of Technology poprawiło jego sprawność. Próg błędu nowego zegara atomowego wynosi 100 milisekund.

W okresie działalności fizyka Isaaca Newtona czas był uniwersalną wartością, która nie podlegała wpływom z zewnątrz. Ten pogląd jednak ewoluował wraz z pojawieniem się na arenie fizycznej dysputy Alberta Einsteina i jego teorii względności. Słynny laureat Nagrody Nobla kompletnie zmienił sposób, w jaki należy postrzegać czas i przestrzeń. Uznał, że czas zmienia się w zależności od punktu odniesienia względem pola grawitacyjnego danego ciała niebieskiego. Co to oznacza? Że siła przyciągania danego ciała niebieskiego decyduje o odstępach między obserwowanymi zdarzeniami. Zmiany można zaobserwować nawet na Ziemi (choć nie są one wielkie). Inaczej będzie więc działał zegar zlokalizowany blisko wnętrza planety, a inaczej na wieży miejskiego ratusza.

Nowy zegar atomowy badaczy z MIT pozwala m.in. wyśledzić ciemną materię, czyli hipotetyczną siłę w kosmosie, która nie odbija ani nie emituje promieniowania elektromagnetycznego. Wynalazek poczas swojej pracy bierze pod uwagę również fale grawitacyjne, które wpływają na drgania atomów. Do tej pory zegary atomowe mierzyły wibracje losowych atomów w chmurze. Potem uśredniały te dane i pokazywały końcową wartość. Jednak (jak mówią zasady fizyki kwantowej) sam pomiar atomów zmienia ich stan. Kwantowe splątanie atomów, które zostało wykorzystane w najnowszym eksperymencie, pozwala na dokładniejszy wynik, zmniejszając indywidualne drgania poszczególnych atomów i dopasowując je do całej grupy. Nie ma wtedy potrzeby wyciągania średniej wartości.

Naukowcy z MIT opublikowali wyniki swojego eksperymentu w magazynie „Nature”. Polegał on na splątaniu ze sobą 350 atomów iterbu, które pod względem częstotliwości drgań przypominają widzialne światło. Badacze złapali je w pułapkę optyczną pomiędzy dwoma lustrami, a następnie wpuścili do środka laserową wiązkę, która sprawiła, że atomy zaczęły zachowywać się podobnie.

– Światło może stanowić rodzaj łącza komunikacyjnego między atomami – wyjaśnia jeden z autorów badania, Chi Shu. – Zachowanie pierwszego z nich wpływa na światło, a ono zmodyfikuje drugi atom, potem trzeci i krążąc przez wiele cykli, atomy będą mogły poznać się między sobą i zaczną zachowywać się we wspólny sposób – dodaje naukowiec.

Dzięki wynalazkowi być może badacze dowiedzą się, czy prędkość światła zmienia się wraz z rosnącym wiekiem Wszechświata.