Ceasul dintr-un singur atom este viitorul măsurării timpului şi poate redefini chiar kilogramul

Măsurarea timpului ar putea avea o abordare nouă odată cu această descoperire

Cercetătorii spun că cel mai simplu ceas, construit pe baza unui singur atom, nu a fost conceput încă, dar posibilitatea de a crea acest nou dispozitiv de măsurare al timpului ar putea fi o perspectivă şi ar putea modifica şi modul de a defini masa.

În mod normal, ceasurile măsoară timpul cu ajutorul pieselor care pot repeta un comportament stabilt prin tipare. De exemplu, un an este definit de cât timp este nevoie pentru ca Pământul să  finalizeze o rotaţie completă  pe orbită în jurul Soarelui.

Cele mai exacte ceasuri care există în prezent există sunt cele atomice. Acestea depind de modul în care atomii se comută între două nivele distincte de energie. Ele au cel puţin două particule, nucleul unui atom şi un electron care variază în funcţie de diferitele niveluri de energie.

Stabilirea timpului

Cu toate acestea, ar putea fi ceasurile mai simple de atât?

„Am fost interesaţi de modul în care ceasurile cele mai simple pot răspunde la întrebarea legată de ce este timpul", a declarat cercetătorul Holger Müller, un fizician de la Universitatea din California, Berkeley pentru site-ul livescience.com. „Dacă spui că nu poţi măsura timpul cu mai puţin de două particule, înseamnă că nimic mai mic de două particule nu experimentează deloc noţiunea de timp?"

Cercetătorii au teoretizat că este posibil să se creeze un ceas format dintr-o singură particulă. Ei au folosit faimoasa ecuaţie a lui Einstein, E = mc2, care a arătat că materia poate fi transformată în energie şi vice-versa. O consecinţă a acestui fapt, numită „Ipoteza lui Broglie asupra valului materie”, sugerează că materia se poate comporta, de asemenea, ca o undă. Ca atare, o particulă de materie poate, în principiu, să se comporte ca o undă care oscilează în mod regulat, acţionând astfel ca un ceas.

„Am demonstrat că o singură particulă poate măsura timpul”, a spus Müller pentru Live Science.

Problema de a face un ceas cu o particulă de materie este faptul că frecvenţa la care oscilează „ar trebui să fie atât de mare încât nimeni nu ar trebui să fie vreodată capabil să o măsoare”, a spus Müller. Pentru a depăşi aceste probleme, oamenii de ştiinţă au luat în calcul un fenomen cunoscut sub numele de dilatarea timpului, o altă consecinţă a teoriei relativităţii a lui Einstein. Acest aspect sugerează că în timp ce obiectele se îndepărteză şi se reîntorc la un anumit punct, ele parcurg un timp mai scurt decât obiectele care au stat în acelaşi loc tot timpul.

Divizarea atomilor

Cercetătorii au recreat acest fenomen folosind lasere pe atomi de cesiu. „Am divizat un atom în două şi pe unul l-am făcut să stea într-un punct, în timp ce pe celălalt l-am făcut să se deplaseze”, a spus Müller. Faptul că o jumătate din atomul a oscilat mai puţin decât cealaltă a însemnat că, atunci când aceste jumătăţi sunt reunite, acestea nu se recombină perfect, dar interferenţa care a avut loc a fost ceva ce oamenii de ştiinţă au putut măsura. Prin cunoaşterea dimensiunii acestei discrepanţe şi înţelegând măsura în care cercetătorii au deranjat atomul, cercetătorii ar putea deduce frecvenţa originală la care atomul a oscilat.

Cum se va modifica masa

În prezent, acest nou ceas poate să indice ora la fel de precis ca şi primele ceasuri atomice dezvoltate acum mai bine de 60 de ani, dar de un miiard de ori mai puţin precis decât cele mai bune ceasuri atomice actuale, numite ceasuri optice. Deşi încă este nesigur dacă acest ceas va egala performanţele ceasurilor optice, cercetătorii spun că ar putea ajuta la rezolvarea uneia dintre cele mai importante probleme în ceea ce priveşte unităţile de măsură, kilogramul.

Începând cu 1889, kilogramul a fost definit ca fiind masa specifică unui cilindru asemănător cu o minge de golf din platină şi iridiu, care este ţinut într-un seif din afara Parisului. Problema cu definirea kilogramului acestui obiect, cunoscut formal sub numele de „Kilogramul Prototip Internaţional” şi mai familiar „Le grande K/Marele K”, este că impurităţile depuse pe suprafaţa sa fac să fie şi mai greu, în timp ce curăţarea lui ar face să se piardă din greutate, producându-se astfel dezordine în modul cum ştiinţa descrie tot ce ţine de univers.

Ca atare, cercetătorii au căutat în ultimii ani să catalogheze kilogramul nu arbitrar ca un artefact, ci bazându-se pe constante fundamentale. Noul ceas pe care Muller şi colegii săi l-au dezvoltat leagă timpul de masa unui atom. Astfel că nu numai că atomii pot fi folosiţi pentru a măsura timpul, dar timpul poate fi folosit pentru a defini masa.

De exemplu, cu noile greutăţi standard, cercetătorii pot produce cristale pure de siliciu numite sfere Avogadro atât de precis încât numărul de atomi din interior este cunoscut a fi de o precizie mare.

„Ceasul nostru şi actualele sfere Avogadro cele mai bune sunt cele mai bune realizări ale noului kilogram definit”, spune Muller. „Ştiind că momentul scurs între două ticăituri este echivalent cu a şti masa particulei şi odată ce masa unui atom este cunoscută, masele altora pot fi legate de acesta.”

Există şi alte strategii prin care se poate stabili valoarea unui kilogram, cum ar fi prin folosirea balanţei watt care se foloseşte de forţele magnetice pentru a ridica obiecte, definindu-le astfel masele prin cât de mult levitează contra câmpului magnetic. „Este un lucru bun că avem mai multe moduri de măsurare a masei, se oferă astfel verificare prin comparaţie pentru consistenţă”, mai spune Muller.

Măsurarea timpului în viitor

În viitor, Muller sugerează că ar putea fi posibil să se inventeze ceasuri şi mai simple, unele care să nu se bazeze pe particule deloc. Teoria cuantică spune că ceea ce poate părea vid este, de fapt, plin cu „particule virtuale” care în mod regulat ies înafara existenţei, generând forţe măsurabile.

„As fi fascinat să văd dacă putem face un ceas care să nu aiba nicio particulă în componeţă. Nici măcar nu ai nevoie de o particulă, ci doar de posibilitatea ipotetică a unei particule care să măsoare timpul”, spune Muller.

O altă posibilitate interesantă este dezvoltatea unei versiuni a acestui ceas care să se bazeze pe antimaterie în locul materiei normale. Atunci când antimateria este pusă în contact cu materia normală, echivalentul său este anihilat. Unul dintre cele mai mari mistere ale Universului este motivul pentru care materia vizibilă este aproximativ materie normală şi nu antimaterie.

„Poţi avea un ceas bazat pe antimaterie şi care să funcţioneze pentru un an în timp ce Pământul se deplasează către soare şi apoi mult mai departe, din moment ce orbita Pământului în jurul soarelui nu este perfect rotundă, ci mai degrabă eliptică. Asta înseamnă că puterea câmpului gravitaţional ar prezenta schimbări în timp”, explică Muller. „Ar fi interesant de comparat un ceas bazat pe materie normală cu un altul bazat pe antimaterie pentru a vedea dacă se comportă în acelaşi fel în relaţie cu gravitaţia aşa cum era de aşteptat. Un asemenea test al legilor fizicii ar fi fascinant dacă s-ar descoperi că materia normală şi antimateria se comportă diferit.”