นาฬิกาอะตอมแบบออปติคัลไอออนแบบหลายไอออนก้าวไปสู่การเปลี่ยนแปลงคำจำกัดความของวินาที

นักวิจัยได้พัฒนาแนวทางใหม่ในนาฬิกาอะตอมแบบออปติคัลซึ่งนำมาซึ่งเป้าหมายหลักทางวิทยาศาสตร์: การกำหนดนิยามใหม่ของวินาที หน่วยพื้นฐานของเวลาในไม่ช้านี้อาจมีพื้นฐานอยู่บนบางสิ่งที่นอกเหนือไปจากการเปลี่ยนแปลงของซีเซียมที่มีสถานะพื้นละเอียดมากสองสถานะ ซึ่งเป็นคำจำกัดความมาตั้งแต่ปี 1967 ก้าวแรกที่เป็นรูปธรรมในการเปลี่ยนแปลงได้เกิดขึ้นแล้ว

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่จะออกแบบนาฬิกาได้แม่นยำยิ่งขึ้นถึง 1,000 เท่าของนาฬิกาอะตอมที่คำจำกัดความดั้งเดิมของวินาทีนั้นใช้เป็นหลัก นาฬิกาอะตอมแบบออปติคอลเหล่านี้พังแล้วแต่ความท้าทายที่สำคัญสำหรับการกำหนดนิยามใหม่คือการเปรียบเทียบนาฬิกาต่างๆ ที่มีความแม่นยำสูงเพียงพอ

กระบวนการนี้เป็นเรื่องยาก แต่ก็ลำบากเช่นกัน การวัดอัตราส่วนความถี่ – การเปรียบเทียบระหว่างนาฬิกาต่างๆ – มักใช้เวลาหลายวัน การออกแบบมัลติไอออนใหม่สามารถปรับขนาดได้ และความสามารถในการปรับขนาดได้รับการตั้งค่าเพื่อทำให้การเปรียบเทียบสั้นลง หากคุณมีไอออนในนาฬิกา 10 ไอออน การวัดจะเร็วขึ้น 10 เท่า

นี่เป็นการพัฒนาที่สำคัญอยู่แล้ว แต่ทีมก็สามารถทำอะไรได้มากกว่านั้น เพื่อแสดงให้เห็นว่านาฬิกาดีพอที่จะนำไปสู่การกำหนดวินาทีใหม่ เป้าหมายที่จะเอาชนะคืออัตราส่วนความถี่น้อยกว่า 5x10^-18หรือน้อยกว่าห้าส่วนต่อพันล้านส่วน ทีมงานก็สามารถบรรลุผลได้เพียงเท่านี้

ระบบยังมีศักยภาพอีกมาก

ดร.โจนาส เคลเลอร์

“ที่นี่เราวัดอัตราส่วนความถี่ของนาฬิกาไอออนตัวเดียว ซึ่งเป็นนาฬิการุ่นเก่าที่ดำเนินกิจการมานานกว่า 10 ปีแล้ว ซึ่งเรียกว่า 'นาฬิกาคลาสสิก' และเราเปรียบเทียบนาฬิกาของเรากับนาฬิกานั้น ดังนั้นการมีส่วนร่วมของข้อผิดพลาดของคล็อกหนึ่งและคล็อกสองจึงรวมอยู่ในข้อผิดพลาดที่รวมไว้นี้ เนื่องจากนั่นเป็นเรื่องเกี่ยวกับการวัดอัตราส่วนความถี่ ซึ่งเป็นหนึ่งในเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการกำหนดนิยามใหม่ของวินาที [ที่เป็นไปได้]”ศาสตราจารย์ทันยา เมห์ลสเตาเบลอร์กล่าวกับ IFLScience

“เกณฑ์มาตรฐานระบุเฉพาะเมื่อมีหลายคนที่สามารถวัดค่าได้ต่ำกว่า 5x10^-18จากนั้นเราก็สามารถก้าวไปสู่การกำหนดนิยามใหม่ได้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการข้ามเกณฑ์มาตรฐานนี้จึงเป็นเรื่องสำคัญมากสำหรับเรา ในแง่นั้น เราทำลายสถิติโลกอย่างแท้จริง เพราะจนถึงตอนนี้ยังไม่มีใครเทียบนาฬิกาแบบออพติคัลสองประเภทในระดับนั้นได้!”

ความสำเร็จที่ทำลายสถิตินั้นน่าตื่นเต้นอย่างยิ่ง มันเป็นเรื่องที่น่ายินดี แต่ก็เป็นจุดเริ่มต้นเช่นกัน งานทางทฤษฎีได้เสนอแนะว่านาฬิกาหลายไอออนนี้มีความสามารถในการลดความไม่แน่นอนมากยิ่งขึ้นไปอีก

“เราได้แสดงให้เห็นในปี 2019 ว่าระบบเหล่านี้สามารถทำอะไรได้บ้างในทางทฤษฎี นี่เป็นการสาธิตการทำงานของนาฬิกาจริงครั้งแรกด้วยความไม่แน่นอนดังกล่าว ระบบยังมีศักยภาพอีกมาก มันสามารถลงไปที่ 1x10^-19ในความไม่แน่นอนอย่างเป็นระบบดังที่เราได้แสดงไว้ในหลักการแล้ว แต่แน่นอนว่าความท้าทายคือการทำมันจริงๆ”ดร.โจนาส เคลเลอร์หนึ่งในผู้เขียนผลงานกลุ่มแรกๆ กล่าวกับ IFLScience

การทำงานในสาขาที่สามารถวัดค่าได้แม่นยำมากนับว่าคุ้มค่ามาก เพราะยิ่งคุณวัดได้แม่นยำมากเท่าไร คุณก็จะยิ่งประหลาดใจมากขึ้นเท่านั้น

ศาสตราจารย์ทันยา เมห์ลสเตาเบลอร์

การปรับปรุงคำจำกัดความของวินาทีถือเป็นจุดสนใจหลักของงานนี้อย่างชัดเจน แต่การพัฒนานาฬิกาเหล่านี้มีการใช้งานที่น่าทึ่งบางประการ นาฬิกาเหล่านี้ไวต่อผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเล็กๆ น้อยๆ นาฬิกาอันเดียวกันสามารถบอกได้ว่านาฬิกาเหล่านั้นถูกเลื่อนขึ้นและลงด้วย a หรือไม่- ดังนั้นจึงสามารถใช้เพื่อติดตามการเคลื่อนที่ของโลก และการเปลี่ยนแปลงระดับความสูงของมวลดินอันเนื่องมาจากธารน้ำแข็งหายไปหรือการละลายของชั้นดินเยือกแข็งถาวร

นาฬิกาเหล่านี้สามารถช่วยสำรวจขีดจำกัดของฟิสิกส์ของเราเพิ่มเติม ทั้งในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัม พวกเขานั่งอยู่ที่ระดับแนวหน้าของความรู้ของเราเกี่ยวกับจักรวาลพื้นฐาน แต่พวกเขาไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์ พวกเขาเป็นจริงมาก

“การทำงานในสาขาที่สามารถวัดได้แม่นยำมากเป็นเรื่องที่คุ้มค่ามาก เพราะยิ่งคุณวัดได้แม่นยำมากเท่าไร คุณก็จะยิ่งประหลาดใจมากขึ้นเท่านั้น ฉันตั้งตารอที่จะวัดเวลาอย่างแม่นยำจริงๆ” ศาสตราจารย์เมห์ลสเตาเบลอร์บอกกับ IFLScience

บทความที่อธิบายความสำเร็จได้รับการตีพิมพ์ในวารสารจดหมายทบทวนทางกายภาพ-