Mokslininkai sukūrė laikrodį iš vieno atomo (1)
Mokslininkams pavyko sukurti paprasčiausią laikrodį, sudarytą vos iš vieno atomo. Šis naujasis laiko matavimo prietaisas gali padėti sukurti ir visiškai naują būdą masei apibrėžti.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Be to, šis pasiekimas leidžia manyti, kad tyrėjai vieną dieną gali sukurti dar egzotiškesnių laikrodžių – tokių, kurie remsis antimedžiaga, o galbūt ir tokių, kuriems nereikės jokių dalelių.
Iš esmės visi laikrodžiai laiką matuoja pasikliaudami dalimis, kurių elgesys reguliariai kartojasi. Pavyzdžiui, metus apibrėžia tai, per kiek laiko Žemė savo orbita apskrieja aplink Saulę.
Tiksliausi iš šiuo metu egzistuojančių yra atominiai laikrodžiai. Jie remiasi tuo, kaip atomai svyruoja tarp dviejų atskirų energijos lygių. Taigi šie laikrodžiai remiasi mažiausiai dviem dalelėmis – atomo branduoliu ir elektronu, kurie šokinėja pirmyn ir atgal tarp dviejų skirtinų energijos lygmenų, rašo LiveScience.com.
Tačiau ar laikrodžiai gali būti dar paprastesni?
„Mus paprasčiausi laikrodžiai domina tiriant, kas yra laikas. Jei, pavyzdžiui, teigiate, kad laiko neįmanoma išmatuoti turint mažiau nei dvi daleles, ar tai reiškia, kad viskas, kas yra mažiau nei dvi dalelės, laiko visiškai nepatiria?“ – teigia tyrėjas Holgeris Mülleris iš Kalifornijos universiteto Berklyje.
Tyrėjai išplėtojo teoriją, jog įmanoma sukurti laikrodį, sudarytą tik iš vienos dalelės. Bandant tai suprasti, reikia pradėti nuo žymiosios A. Einsteino lygties E=mc2, kuri rodo, kad medžiagą galima paversti energija ir atvirkščiai. Viena to pasekmių, vadinama Broilio medžiagos-bangų hipoteze, teigia, kad medžiaga gali elgtis kaip bangos. Tad medžiagos dalelė iš principo gali elgtis kaip banga, kuri reguliariai virpa, taigi elgiasi kaip laikrodis.
„Mes pademonstravome, kad viena dalelė gali matuoti laiką“, – LiveScience.com teigė H. Mülleris.
Tačiau kuriant laikrodį iš medžiagos dalelės susiduriama su problema, kad dažnis, kuriuo ji virpa, „turėtų būti toks aukštas, kad niekas jo niekada neišmatuos“, aiškina mokslininkas. Norėdami įveikti šią kliūtį, mokslininkai pasirėmė reiškiniu, vadinamu laiko išilgėjimu, dar vienu A. Einsteino reliatyvumo teorijos padariniu. Teigiama, kad kai objektai tolsta nuo tam tikros vietos ir vėl į ją grįžta, jiems laikas teka lėčiau nei tieks, kurie visą tą laiką buvo toje pačioje vietoje.
Tyrėjai šį reiškinį atkūrė lazeriu švitindami cezio atomus. „Iš esmės mes atomą padalinome į dvi dalis. Vieną jų palikome toje pačioje vietoje, o kitai leidome keliauti ir grįžti. Tai pusei, kuri judėjo, laikas ėjo vos vos lėčiau, taigi ji mažiau virpėjo“, – teigė H. Mülleris.
Faktas, kad viena atomo pusė virpėjo mažiau nei kita, reiškia, kad jas vėl sudėjus, jos tobulai nesusijungė, tačiau atsirado trukdis, kurį mokslininkai galėjo išmatuoti. Žinodami šio netikslumo dydį ir tai, kokiu mastu tyrėjai ardė atomą, jie gali nustatyti pirminį dažnį, kuriuo atomas virpėjo.
Judančiai atomo daliai prireikė maždaug trečdaliu sekundės mažiau laiko nei kitai. Abi atomo pusės susvyravo maždaug 10^25 kartų (tai prilygsta 1 su 25 nuliais arba 10 trilijonų trilijonų), tačiau judanti pusė susvyravo maždaug 100 tūkst. kartų mažiau nei nejudančioji.
„Mes pademonstravome, kad laikrodį galima padaryti iš vienos masę turinčios dalelės“, – teigė fizikas Justinas Brownas iš Kalifornijos universiteto.
Šiuo metu naujasis laikrodis laiką gali matuoti maždaug panašiu tikslumu kaip ir pirmieji atominiai laikrodžiai, sukurti prieš maždaug 60 metų, ir maždaug 1 mlrd. kartų mažesniu tikslumu nei geriausi dabartiniai atominiai laikrodžiai, vadinami optiniais laikrodžiais. Nors ir abejojama, ar šis naujasis laikrodis kada nors prilygs optiniams, tyrėjai tvirtina, kad jis gali padėti išspręsti problemą, susijusią su vienu svarbiausių matavimo vienetų – kilogramu.
Nuo 1889 metų kilogramas apibrėžiamas kaip specialaus platinos ir iridžio cilindro masė, kuris saugomas saugykloje netoli Paryžiaus. Tačiau apibrėžiant kilogramą pagal šį objektą, formaliai vadinamą Tarptautiniu prototipiniu kilogramu, susiduriama su problema, jog teršalai, sėdantys ant jo paviršiaus, jį pasunkina, o valymas gali palengvinti, tad kyla grėsmė sunaikinti vieną iš būdų, kuriuo mokslas aprašo viską visatoje.
Dėl to pastaraisiais metais tyrėjai bandė pagrįsti kilogramą ne vien konkrečiu artefaktu, bet fundamentalesnėmis konstantomis. Naujasis laikrodis, kurį sukūrė H. Mülleris su kolegomis, susieja laiką su atomo mase. Taigi atomai gali būti naudojami ne tik laikui matuoti, bet ir padėti apibrėžti masę.
Pavyzdžiui, mokslininkai gali sukurti ypač grynus silicio kristalus, pavadintus Avogadro sferomis, kurie sukuriami taip tiksliai, jog ypač tiksliai žinomas juose esančių atomų skaičius. Tai galėtų būti nauji standartiniai svarmenys.
„Mūsų laikrodis ir dabartinės geriausios Avogadro sferos būtų vienas geriausių būtų realizuoti naujai apibrėžtą kilogramą. Mūsų laikrodžio tiksėjimo dažnio žinojimas prilygsta dalelės masės žinojimui, o kai žinoma atomo masė, su ja gali būti siejamos ir kitos masės“, – aiškino mokslininkas.
Pasiūlyta ir kitų strategijų, kuo galėtų remtis kilogramas. Pavyzdžiui, naudoti vato balansą, kai objektams pakelti naudojama magnetinė jėga, o jų masė apibrėžiama pagal tai, kiek jie pakyla reaguodami į magnetinį lauką.
„Gerai turėti keletą būdų masei matuoti. Tuomet galima patikrinti, ar jie vienas kitam neprieštarauja“, – kalbėjo H. Mülleris.
Ateityje, anot jo, gali pavykti sukurti dar paprastesnius laikrodžius, kuriems dalelių visai nereikės. Kvantinė teorija teigia, kad tai, kas gali atrodyti kaip vakuumas, iš tiesų yra pripildytas „virtualių dalelių“, kurios reguliariai atsiranda ir pranyksta, sukurdamos išmatuojamas jėgas.
„Būtų nuostabu pažiūrėti, ar būtų galima sukurti laikrodį iš nulio dalelių. Tuomet laikui matuoti nereikėtų nė vienos dalelės, užtektų hipotetinės jos egzistavimo galimybės“, – sakė fizikas.
Kita įdomi galimybė – sukurti laikrodį, kuris remtųsi ne įprasta medžiaga, o antimedžiaga. Kai antimedžiaga susiliečia su normalia medžiaga, jos viena kitą panaikina. Viena didžiausių paslapčių visatoje – kodėl matomoji medžiaga visatoje beveik visa yra normali medžiaga, o ne antimedžiaga.
„Antimedžiagos laikrodis galėtų veikti metus, kai Žemė priartėja prie Saulės ir vėl nuo jos tolsta, nes Žemės orbita nėra apskrita, o šiek tiek elipsinė. Tai reiškia, kad bėgant laikui jį veikiantis gravitacinis laukas kistų. Būtų įdomu įprastos medžiagos laikrodį palyginti su antimedžiagos laikrodžiu ir pažiūrėti, ar jie į gravitaciją reaguoja taip, kaip galima numanyti. Toks fizikos dėsnių bandymas būtų nuostabus, jei paaiškėtų, kad medžiaga ir antimedžiaga elgiasi skirtingai“, – sakė H. Mülleris.
