Fundamentaliausias laikrodis gali iš naujo apibrėžti kilogramą

Pats tiksliausias egzistuojantis atominis laikrodis, tiksliausias egzistuojantis laiko matavimo prietaisas, matuoja kokiu dažniu cezio atomai šokinėja tarp dviejų skirtingų energijos lygių – maždaug 9 milijardai tokių peršokimų lygu vienai sekundei.

Tačiau tai ne vienintelis būdas naudoti atomą laiko skaičiavimui. Kvantų mechanika teigia, kad visa materija egzistuoja kaip banga ir dalelė. Kadangi banga turi dažnį, tai reiškia, kad ir kiekviena dalelė turi savo dažnį, vadinamąjį Komptono dažnį, priklausantį nuo jos masės.

Iš principo turėtų būti įmanoma sukurti „Komptono laikrodį“, tiksintį atskiro atomo Komptono dažniu. Tik bėda, kad atomo Komptono dažnis yra 100 milijardų kartų didesnis už regimos šviesos bangų dažnį. „Tai toks didelis dažnis, kad jo suskaičiavimo galimybė dar labai tolima,“ sako Holgeris Mülleris iš Kalifornijos universiteto Berklyje.

Dvynių paradoksas

Siekdama išspręsti šią problemą, komanda kreipėsi į Einšteino reliatyvumo teorijos keistenybę, vadinamąjį dvynių paradoksą. Jame teigiama, kad dvynys, išskridęs greita raketa tolyn ir grįžęs, bus pasenęs mažiau, nei likęs Žemėje, kadangi judantiems objektams laikas eina lėčiau.

Mülleris atkūrė tai atominiu masteliu, pasiųsdamas cezio atomo medžiagos bangą per prietaisą – atomų interferometrą. Jis padalina bangą į dvi, viena iš kurių prieš rekombinaciją lieka stacionari, o kita tęsia judėjimą. Judančios bangos fazė dėl dvynių paradokso šiek tiek nesutampa.

Užuot matavę Komptono dažnį tiesiogiai, tyrėjai lazeriu išmatavo dažnių skirtumą, kuris buvo maždaug 100 000 hercų. Kadangi jis priklauso ir nuo atomo masės, tai galima naudoti, kaip laikrodį. Toks laikrodis fundamentalesnis, nei bet koks kitas, nes priklauso nuo vienintelės dalelės elgesio.

Laikrodis atsilieka viena sekunde per 8 metus, panašiai, kaip pirmieji atominiai laikrodžiai. „Tai nėra labai geras laikrodis,“ pažymi Mülleris. Palyginimui, dabar geriausias atominis laikrodis, jei būtų veikęs nuo Disžiojo sprogimo, vėluotų vos 4 sekundes.

Bet Komptono laikrodis turi savybę, kurios trūksta atominiam laikrodžiui: kadangi jo dažnis priklauso nuo atomo masės, jis gali būti naudojamas kaip svėrimo įrenginio auksinis standartas.

Naujas kilogramo apibrėžimas

Mokslinis masės standartas yra nustatomas pagal kilogramo etaloną iš metalo lydinio, saugomo Tarptautiniame svorių ir matų biure Paryžiuje, bet metrologai siekia tai pakeisti, kadangi jų standartinių lydinių masė kinta dėl mikroskopinio užterštumo.

Siekdami pakeisti metalo gabalą, varžosi du metodai. Pirmuoju metodu skaičiuojamas tikslus atomų skaičius kilogramą sveriančiame silicio rutulyje, vadinamoje Avogadro sferoje.

Kaip buvo gaminamas apvaliausias objektas Žemėje ir gal net visoje Saulės sistemoje

Antruoju – naudojamas vatų balanso įrenginys, susiejantis masę su srove ir įtampa, naudodamas fundamentalią Planko konstantą.

Komptono laikrodis pateikia trečią alternatyvą. Laikrodžio cezio atomo masė gali būti suskaičiuota iš jo Komptono dažnio, Planko konstantos ir šviesos greičio 4·10^-9 tikslumu.

Kadangi visų atomų santykinė masė žinoma, šia technika būtų galima labai tiksliai išmatuoti kitų atomų mases. Tada įmanoma paskaičiuoti, kiek atomų turėtų būti to elemento kilograme. Tokia skaičiavimo grandinė sumažina tikslumą iki 3·10^-8, bet tai vis vien palyginama su vatų balanso metodu, sako Mülleris.

„Jų būdas labai galingas,“ sako Ianas Robinsonas iš JK Nacionalinės fizikos laboratorijos. Jis pažymi, kad šiuo būdu galima tiksliai išmatuoti vieno atomo masę. Vatų balanso metodu to padaryti neįmanoma – juo matuojami tik makroskopiniai objektai.

Tačiau Komptono laikrodis makroskopinėms masėms gali būti sudėtingas, kadangi kol kas nėra pigaus ir tikslaus metodo pereiti nuo atominių masių, pažymi Richardas Steineris iš JAV Nacionalinio standartų ir technologijų instituto Gaithersburge, Marylando valstijoje.

Journal reference: Science, DOI: 10.1126/science.1230767

Jacob Aron
New Scientist, 2013 sausio 10 d.