Saintis di National Institute of Standards and Technology telah mencipta jam atom paling tepat di dunia, mencapai ketepatan hingga tempat perpuluhan ke-19. Tetapi apa yang menarik perhatian komuniti teknologi bukan sahaja ketepatan yang memecahkan rekod—tetapi keupayaan jam tersebut untuk mengesan perubahan yang sangat kecil dalam medan graviti, membuka kemungkinan baharu yang menarik.
Spesifikasi Jam:
- Ketepatan: 19 tempat perpuluhan (5.5×10^-19 ketidakpastian sistematik)
- Penambahbaikan: 41% lebih tepat daripada rekod sebelumnya
- Kestabilan: 2.6 kali lebih stabil daripada jam ion lain
- Masa pengukuran: Dikurangkan daripada 3 minggu kepada 1.5 hari untuk ketepatan maksimum
Mengukur Graviti Melalui Masa
Jam ion aluminium baharu ini sangat sensitif sehingga ia dapat mengesan kesan pelebaran masa yang kecil yang disebabkan oleh pergerakan hanya beberapa sentimeter lebih tinggi atau rendah. Ini berfungsi kerana masa bergerak sedikit lebih pantas pada altitud yang lebih tinggi disebabkan medan graviti yang lebih lemah—ramalan relativiti am Einstein yang kini dapat diukur oleh jam ini dengan ketepatan yang tidak pernah ada sebelumnya.
Perbincangan komuniti mendedahkan implikasi praktikal sensitiviti ini. Jam tersebut secara teorinya boleh mengesan seseorang yang berjalan berdekatan melalui pengaruh graviti mereka, walaupun kesannya akan sangat kecil. Ada yang bahkan mencadangkan penggunaan rangkaian jam-jam ini sebagai jenis radar graviti baharu untuk mengesan kapal selam atau memetakan variasi kepadatan bawah tanah.
Pelebaran masa: Kesan di mana masa berlalu pada kadar yang berbeza bergantung kepada kekuatan medan graviti atau gerakan relatif
Keupayaan Sensitiviti:
- Pengesanan graviti: Boleh mengukur pelebaran masa daripada perubahan ketinggian beberapa sentimeter
- Perbandingan dengan jam cesium: Resolusi anjakan menegak ~1 batu berbanding beberapa sentimeter
- Aplikasi berpotensi: Geodesi, pengesanan jirim gelap, penyelidikan fizik asas
- Pengesanan gelombang graviti: Berkemungkinan dengan penggunaan rangkaian yang mencukupi
Cabaran Teknikal dan Penyelesaian
Laluan untuk mencapai ketepatan yang memecahkan rekod ini memerlukan penyelesaian pelbagai cabaran kejuruteraan. Pasukan penyelidik terpaksa mereka bentuk semula perangkap ion menggunakan wafer berlian yang lebih tebal dan salutan emas yang diubah suai untuk mengurangkan pergerakan ion yang tidak diingini. Mereka juga membina semula kebuk vakum daripada titanium dan bukannya keluli, mengurangkan gas hidrogen latar belakang sebanyak 150 kali dan membolehkan eksperimen berjalan selama beberapa hari dan bukannya hanya 30 minit.
Mungkin yang paling mengagumkan, pasukan tersebut bekerjasama dengan makmal NIST lain sejauh 3.6 kilometer, menggunakan kabel gentian optik di bawah jalan untuk berkongsi laser ultra-stabil. Perkongsian ini mengurangkan masa pengukuran daripada tiga minggu kepada hanya satu hari setengah untuk mencapai ketepatan maksimum.
Perangkap ion: Peranti yang menggunakan medan elektrik untuk menahan zarah bercas di tempatnya Kebuk vakum: Bekas tertutup dengan kebanyakan udara dikeluarkan untuk mengelakkan gangguan
Komponen Teknikal:
- Pasangan ion: Ion aluminum (untuk pengiraan masa) + Ion magnesium (untuk kawalan)
- Bahan perangkap: Wafer berlian dengan elektrod bersalut emas
- Ruang vakuum: Pembinaan titanium (150 kali kurang gas hidrogen berbanding keluli)
- Sistem laser: Laser ultra-stabil dikongsi melalui pautan gentian optik sepanjang 3.6km
- Masa pembangunan: 20 tahun penambahbaikan berterusan
Melampaui Pengukuran Masa
Walaupun aplikasi segera memberi tumpuan kepada mentakrifkan semula piawaian saintifik untuk mengukur saat, implikasi yang lebih luas melangkaui pengukuran masa. Sensitiviti melampau jam tersebut menjadikannya alat yang berkuasa untuk penyelidikan fizik asas, termasuk pencarian jirim gelap dan ujian sama ada nilai fizik yang sepatutnya malar sebenarnya berubah dari masa ke masa.
Komuniti juga telah mencatatkan aplikasi berpotensi dalam geodesi—sains mengukur bentuk Bumi dan medan graviti. Pengukuran yang begitu tepat boleh meningkatkan pemahaman kita tentang struktur bawah tanah, arus lautan, dan bahkan membantu mengesan gelombang graviti dari angkasa.
Dengan platform ini, kami bersedia untuk meneroka seni bina jam baharu—seperti meningkatkan bilangan ion jam dan bahkan menjalinkannya—meningkatkan lagi keupayaan pengukuran kami.
Pencapaian ini mewakili 20 tahun pembangunan berterusan, menunjukkan bagaimana pelaburan saintifik yang berterusan boleh membawa kepada teknologi terobosan dengan aplikasi yang baru mula kita bayangkan.
Rujukan: NIST Ion Clock Sets New Record for Most Accurate Clock in the World