Часът е толкова, колкото ще бъде. С точност до един атом

Физиците говорят за създаването на първия часовник, който ще се движи от масата на един-единствен атом. Според учените този часовник ще бъде най-точният във Вселената, а освен това той може да преразгледа масата на килограма като мерна единица. В основата на въпросния часовник лежат най-фундаменталните физични процеси, затова е невъзможно създаването на по-точен.

Съществуващите атомни часовници, които се смятат за най-точните, измерват колко бързо електроните променят своите състояния в цезиеви атоми. Електроните преминават от едно състояние в друго около 9 млрд. пъти на секунда. Но подобен начин за измерване на времето с използването на атоми не е единственият. Квантовата механика казва, че цялата материя съществува едновременно в две форми – вълни и частици.

Като вълна тя има честота. Това означава, че всяка частица има честота, която се нарича честота на Комптън и зависи от масата на атомите. Специалистите твърдят, че принципно може да се изработи т.нар. часовник на Комптън, който ще „тиктака” в зависимост от честотата на един или друг атом. Проблемът е в това, че честотата на атома е около 100 млрд. пъти по-голяма от честотата на видимото светлинно излъчване.

„Тази честота е много голяма, фактически тя е толкова огромна, че е трудно да се определи”, казва Холгър Мюлер от Калифорнийския университет в Бъркли.

За да решат този проблем, учените се обърнали към теорията на относителността на Айнщайн, а също и към известния „парадокс на близнаците”. Той се характеризира със ситуация, в която един от близнаците лети на теоретичен космически кораб, движещ се със скоростта на светлината, докато другият остава на Земята. След известно време става ясно, че за двамата времето тече различно и този, който е бил на кораба, се оказва по-млад от земния си близнак.

Екипът на Мюлер е пресъздал този парадокс на атомно ниво, насочвайки цезиеви атоми през интерферометър. Този уред разделя вълните на две – едната остава стационарна, а другата продължава да се движи. Така за двете вълни времето тече различно. Вместо директно да измерят ефекта на Комптън, изследователите използвали лазер за измерване на различията в честотата, която е около 100 000 херца. Тъй като този показател също зависи от масата на атома, той може да се разглежда и като индивидуален единичен ход на най-точния атомен часовник в историята.

Впрочем учените твърдят, че часовникът дава доста голяма грешка – около 1 секунда за 8 години, което е съпоставимо с предишни атомни часовници. За сравнение – съвременните атомни часовници биха загубили не повече от 4 секунди за цялото време на съществуването на Вселената (13,7 млрд. години).

Но тук има един нюанс – като се определи точната маса на атома, този часовник може да бъде практически безкрайно точен, а освен това той ще може с атомна точност да преразгледа масата на килограма.

Научният стандарт за маса от 1 килограм сега е цилиндър, изработен от платина и иридий, който се съхранява в Международното бюро по мерки и теглилки (BIPM) в Париж. Поради постоянните атомни колебания този „златен стандарт” ту намалява, ту нараства по маса. С новата технология учените ще могат да разберат колко точно атома влизат в стандарта за килограм и в бъдеще да правят свръхточни изчисления.

Според учените количеството на „градивните елементи” на килограма може да се изчисли с помощта на ефекта на Комптън, константата на Планк и скоростта на светлината. Тъй като относителната маса на всички атоми е известна, техниката може да помогне и в изясняването колко атома от едно или друго вещество правят килограм.

Източник: CyberSecurity