Fisikawan telah mengembangkan jam atom yang begitu akurat sehingga akan mati kurang dari satu detik dalam 14 miliar tahun. Keakuratan dan ketepatan semacam itu membuatnya lebih dari sekadar arloji. Ini adalah instrumen ilmiah yang kuat yang dapat mengukur gelombang gravitasi, mengukur bentuk gravitasi bumi, dan bahkan mungkin mendeteksi materi gelap.
Bagaimana mereka melakukannya?
Fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi mengatakan jam atom baru mereka didasarkan pada unsur tanah jarang ytterbium. Mereka menggunakan kisi-kisi sinar laser yang disebut kisi optik untuk menjebak 1000 atom ytterbium. Atom-atom secara alami "menandai" dengan beralih di antara dua tingkat energi. Tindakan itu disebut transisi elektron atom, dan dibutuhkan nanodetik untuk terjadi. Setiap kali mereka berdetak, atau mengubah tingkat energi, elektron memancarkan energi gelombang mikro, yang dapat dideteksi. Fisikawan NIST membangun dua jam ytterbium ini, dan dengan membandingkannya, mereka telah mencapai kinerja memecahkan rekor.
Kinerja pemecahan rekor ini diukur dengan tiga cara:
- Ketidakpastian sistematis: Ini adalah seberapa baik jam mewakili getaran alami dari atom ytterbium. Jam ytterbium mati hanya dengan sepersejuta dari sepersejuta.
- Stabilitas: Ini adalah seberapa banyak frekuensi jam berubah dalam waktu yang ditentukan. Dalam hal ini, mereka mengukur jam ytterbium mereka dan itu berubah dengan hanya 0,0000000000000000000032) selama sehari.
- Reproducibilitas: Ini mengukur seberapa dekat dua jam ytterbium mencentang pada frekuensi yang sama. Dalam 10 perbandingan antara pasangan jam, perbedaannya sekali lagi kurang dari sepersejuta dari sepersejuta.
"Ketidakpastian sistematis, stabilitas, dan reproduktifitas dapat dianggap sebagai 'royal flush' kinerja untuk jam ini," kata pemimpin proyek Andrew Ludlow dalam siaran pers. "Kesepakatan kedua jam pada tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya ini, yang kami sebut reproduktifitas, mungkin merupakan hasil yang paling penting, karena pada dasarnya mengharuskan dan mendukung dua hasil lainnya."
Einstein menunjukkan kepada kita bahwa waktu berlalu secara berbeda tergantung pada gravitasi yang Anda tuju juga. Detak atom dalam jam atom melambat saat diamati dalam gravitasi yang lebih kuat. Di atas Mt. Everest, misalnya, waktu bergerak lebih cepat daripada di dasar Palung Mariana. Itu karena, di sini di Bumi, gaya gravitasi terkonsentrasi di pusat planet. Semakin jauh Anda dari pusat, semakin sedikit gravitasi yang ada. Efeknya tidak besar, mungkin hanya sepersejuta detik. Tapi itu ada di sana. Entah bagaimana itu tampaknya berlawanan dengan intuisi, tetapi itulah yang ditunjukkan Einstein, dan dia terbukti benar.
Hal yang luar biasa tentang jam atom baru ini adalah bahwa hal itu menunjukkan reproduktifitas berarti kesalahan jam berada di bawah kemampuan kita untuk mendeteksi efek gravitasi tepat waktu di Bumi.
Fisikawan NIST Andrew Ludlow menjelaskannya seperti ini: "... reproduksibilitas yang diperlihatkan menunjukkan bahwa kesalahan total jam turun di bawah kemampuan umum kita untuk menjelaskan efek gravitasi pada waktu di Bumi. Karenanya, saat kami membayangkan jam seperti ini digunakan di seluruh negara atau dunia, kinerja relatif mereka, untuk pertama kalinya, dibatasi oleh efek gravitasi Bumi. "
Para fisikawan mengatakan bahwa sekarang kita memiliki jam yang akurasinya lebih besar daripada efek gravitasi pada waktu, kita dapat menggunakan jam untuk mengukur bentuk gravitasi bumi. Cara biasa mengukur bentuk gravitasi bumi adalah dengan mengukur pasang surutnya. Pengukur pasang surut yang ditempatkan di seluruh dunia digunakan, tetapi akurasinya hanya dengan beberapa sentimeter. Jam baru ini dapat menurunkan akurasi hingga kurang dari satu sentimeter.
Faktanya, jam ytterbium ini dapat digunakan untuk mengukur lebih dari bentuk gravitasi bumi. Mereka dapat digunakan untuk mengukur ruang-waktu itu sendiri, dan untuk mendeteksi gelombang gravitasi dari alam semesta awal. Mungkin saja mereka bahkan bisa mengukur materi gelap. Pada tingkat akurasi dan presisi ini, instrumen ini jauh lebih dari sekadar jam.
Bukan hanya gravitasi yang dapat mempengaruhi jam seperti jam ytterbium. Efek lingkungan lainnya dapat mengganggu akurasi perangkat. Mereka harus tetap dingin dan mereka harus diisolasi dari medan listrik yang tersesat. Jam baru terlindung dari efek listrik dan panas sehingga dapat diperhitungkan dan diperbaiki.
Dengan peningkatan seperti pelindung listrik dan termal, fisikawan membangun jam ytterbium portabel yang dapat diangkut ke laboratorium yang berbeda untuk mengukur dan membandingkan jam lainnya. Mereka juga dapat dipindahkan ke lokasi lain untuk mempelajari teknik geodesi relativistik. Ini akan menjadi game-changer, karena saat ini, jam atom terbaik kami berukuran seukuran kamar, yang disebut "jam air mancur" yang menggunakan atom sesium untuk menentukan yang kedua.
Tapi itu semua bisa berubah dengan jam baru.
Jam atom sebelumnya didasarkan pada elemen cesium, yang hingga kini menyediakan ketepatan waktu paling akurat yang tersedia. Getaran atom cesium telah digunakan sejak 1960-an untuk menentukan durasi satu detik dalam Sistem Satuan Internasional (ISU). Tetapi dengan perkembangan jam ytterbium, waktu caesium mungkin naik.
Jam sesium pertama dibangun pada tahun 1955, dan sejak saat itu menjadi standar emas. Definisi resmi yang kedua, jika Anda tertarik, telah digunakan sejak 1967. Dikatakan: “Yang kedua adalah durasi 9 192 631 770 periode radiasi yang berkaitan dengan transisi antara dua tingkat hyperfine tanah. keadaan atom cesium 133. " Kemudian pada tahun 1997 mereka mengklarifikasi bahwa cesium harus berada pada 0 Kelvin.
Jam atom lainnya telah dibangun menggunakan rubidium, yang dapat dibuat portabel. Mereka tidak seakurat cesium, tetapi mereka cukup baik untuk aplikasi seperti GPS, BTS ponsel, dan untuk mengontrol frekuensi stasiun televisi. Tetapi dengan pengembangan jam atom baru menggunakan atom ytterbium, kita mungkin memiliki yang terbaik dari kedua dunia: akurasi ilmiah yang belum pernah terjadi sebelumnya, dan portabilitas.
Jam atom ytterbium baru adalah kandidat utama untuk mendefinisikan kembali definisi tentang bagaimana ling satu detik. Itu karena memenuhi ambang akurasi yang ditentukan oleh Sistem Satuan Internasional. Badan itu mengatakan bahwa setiap definisi baru akan membutuhkan peningkatan 100 kali lipat dalam akurasi yang divalidasi atas jam cesium yang saat ini digunakan untuk mendefinisikan yang kedua.
Kami dulu mendefinisikan waktu dengan rotasi Bumi, tetapi kami telah menempuh banyak hal sejak saat itu. Jam atom yang menggunakan laju kutu dari unsur tanah jarang untuk mengukur bentuk gravitasi bumi, gelombang gravitasi dari alam semesta awal, dan mungkin bahkan materi gelap adalah sesuatu yang tidak bisa dicitrakan oleh manusia sejarah ketika mereka menempelkan tongkat di tanah untuk membuat sun dial.
- Siaran Pers: Jam Atom NIST Sekarang Jaga Cukup Waktu dengan Baik untuk Meningkatkan Model Bumi
- Makalah Penelitian: Kinerja jam atom di luar batas geodetik
- Berita MIT: Pencatatan waktu atom, saat bepergian
- Wikipedia: Jam atom
- Wikipedia: Cesium standar
- Wikipedia: Transisi elektron atom
