Атом соатларини қўллаш орқали ясалган конструкция физик олимларига мавҳум материяни аниқлашда ва гравитациянинг вақтга қандай таъсир кўрсатишини ўрганишда ёрдам бериши мумкин. «Дарё» MIT News порталида эълон қилинган материални таржима тариқасида тақдим этади.

Атом соати — жаҳондаги энг аниқ хронометрдир. Бундай соатда доимий бир хил тебранувчи атом тебранишларини ўлчайдиган лазер қўлланилади. Жаҳондаги энг яхши атом соатлари вақтни шу қадар катта аниқлик билан ўлчайдики, бу соат коинот яралган лаҳзадан бошлаб ишлаганида ҳам ҳозиргача кўпи билан ярим сонияга адашган бўларди, холос.

Шунга қарамай, атом соати ҳам янада аниқроқ бўлиши мумкин. Атом соати аниқроқ ва сезувчанроқ бўлганида, у атомларнинг тебранишларини янада аниқроқ ўлчаган бўларди ва бу мавҳум материя ҳамда гравитация тўлқинлари сингари ҳодисаларни аниқлашда ёрдам берарди. Мукаммалроқ атом соати бўлса, олимлар гравитациянинг вақтнинг кечишига қандай таъсир кўрсатиши ва коинотнинг ёши ўтгани сайин вақтнинг оқими ҳам ўзгарадими ёки йўқми, деган жумбоқли саволларга жавоб топа олишлари мумкин бўларди.

Массачусетс технология институти физиклари томонидан ишлаб чиқилган янги турдаги атом соати олимларга юқоридаги каби саволларни текширишда ва янгича талқиндаги физика эшикларини очишда ёрдам бериши мумкин.

Nature журналида эълон қилинган мақолада айтилишича, ушбу институт олимлари атом булутларидаги тасодифий тебранишларни ўлчашга асосланган тарзда ишлайдиган ҳозирги мавжуд атом соатларидан фарқли равишда ишлайдиган, яъни бунинг ўрнига атом чигалликларидан фойдаланадиган янги турдаги атом соатини ишлаб чиқди. Ушбу ускуна атом чигаллигисиз ишлайдиган соатдан кўра тўрт карра аниқроқ ишлаши мумкин.

«Кучайтирилган атом чигаллигига эга оптик атом соати сонияни ўлчашнинг аниқлигини ошириши учун ҳозирги мавжуд оптик соатдан кўра каттароқ потенциалга эга бўлади», — деган тадқиқотнинг етакчи муаллифларидан бири, Массачусетс технология институти электроника тадқиқотлари лабораториясида постдокторал фаолият юритаётган олим Эдвин Педрозо-Пеняфел.

Мавжуд атом соатлари ҳам худди Массачусетс технология институти жамоасининг атом соати сингари атом чигаллигини ўлчашга мосланган бўлганида, бундай соатнинг аниқлик даражаси бутун коинот ёшига нисбатан 100 миллисекунддан ҳам кам бўлган бўлар эди.

Вақт лимити

Одамлар вақтнинг ўтишини ҳисоблай бошлаган илк пайтларда буни даврий ҳодисаларга таяниб, масалан, Қуёшнинг чиқиши ва осмондаги ҳаракати сингариларга асосланиб юритган. Атомларнинг тебраниши эса ҳозирда олимлар кузатиш имконига эга бўлган энг барқарор ва аниқ даврий ҳодисадир. Масалан, битта цезий атоми бошқа бир цезий атоми билан аниқ бир хилликдаги частота билан тебранади.

Вақт ҳисобини аниқ юритиш учун атом соати идеал ҳолатда алоҳида бир дона атомнинг тебранишини кузатиши керак. Лекин бундай миқёсда атом шу даражада кичикки, у ўзини квант механикаси қоидаларига биноан тутади: ўлчашда у худди танга ташлангандек ҳаракат қилиб, қандай тўғри тушиши эҳтимоллиги фақат тангани қанча кўп марта ташлангандаги ўртача қийматга асосланган бўлади. Бундай чекловларни физикада стандарт квант чеклови (чегараси) дейилади.

Мақола муаллифларидан бири Коломбо бу ҳақида «Атомлар сони ортса, ушбу барча кўп сонли атомлардан олинган ўртача қиймат аниқ тўғри қийматга яқинлашиб келади», деб изоҳ берди.

Шу сабабли ҳам замонавий атом соати минглаб турдаги атомларнинг тебранишларининг ўртача қийматини ўлчашга асосланган. Атом соатида бунинг учун лазер системасини қўллайди ва унда ўта паст ҳароратдаги атомларни лазер ёрдамида қўйилган тузоққа ҳайдайди. Иккинчи, ўта барқарор лазер эса ушбу атомларнинг тебраниш частотасига яқин частотага эга бўлади ва у орқали тузоқдаги атомларнинг тебраниши қайд этилади.

Шунга қарамай, стандарт квант чеклови амал қилиши сабабли ҳатто минглаб атомлардан иборат тебранишларда ҳам уларнинг ҳар бирининг индивидуал тебранишига нисбатан муайян ноаниқлик сақланиб қолади. Айнан шу ўринда квант чигаллиги ёрдамга келиши мумкин. Умуман олганда, квант чигаллиги мумтоз физикага оид ҳолат эмас ва унда ҳар бир атом ўзини худди танга ташланганидек эҳтимолийлик билан тутса ҳам гуруҳдаги атомлар ўлчашнинг корреляцион натижаларини тақдим қилади.

Илмий жамоа шундай хулосага келдики, атом чигаллигидан фойдаланиладиган бўлса, уларнинг алоҳида тебранишлари умумий частотага нисбатан камроқ оғиш билан яқинлаша олади. Шунга асосан атом соати билан ўлчанадиган ўртача тебранишлар аниқлиги стандарт квант чекловидан каттароқ бўлади.

Чигал соат

Янги турдаги атом соатида илмий жамоа, кўринадиган ёруғлик сингари баланд частотада тебранувчи 350 га яқин иттербий атомини чигалликка олиб кирди. Бу дегани бундаги ҳар бир атом цезий атомидан кўра 100 минг маротаба кўпроқ тебранади демакдир. Иттербий атомининг тебранишини аниқ кузатиш имкони бўлса, унда олимлар янада кичик вақт интервалларини ўлчаш учун ушбу атомлардан фойдаланишлари мумкин бўлади.

Янги турдаги атом соатида олимлар атомларни иккита кўзгу ёрдамида ҳосил қилинган оптик резонаторда совитиш усулидан фойдаланди. Кейин эса оптик резонатор орқали атомлар томонга лазер йўналтирди ва бу лазер кўзгулар орасида аксланиш орқали атомлар билан минглаб марта ўзаро таъсирлашди.

«Нур бунда худдики атомлар орасини боғловчи вазифасини бажаради», деб изоҳ берди тадқиқот муаллифларидан бири бўлган Шу исмли олим. «Нурга дуч келган биринчи атом ушбу нурни бироз ўзгартиради, бу нур иккинчи атомни ўзгартиради, учинчи атомни ҳам ўзгартиради ва шу кетма-кетликдаги кўп сонли цикллардан кейин атомлар барчаси бир-бирини таниб олади ва ҳаммаси ўзини бир хил тута бошлайди», деди у.

Шу тариқа тадқиқотчилар аввалига атомларни чигаллаштиради, кейин уларнинг частотасини ўлчаш учун ҳозирда мавжуд атом соатидаги сингари лазердан фойдаланади. Илмий жамоа худди шундай экспериментни атом чигаллигисиз такрорлаб кўрганида, чигалликка эга атомлар билан бажарилган тажрибадаги аниқлик даражаси тўрт карра юқорилиги маълум бўлди.

Илмий жамоа аъзоси Вулетичнинг айтишича, агар тадқиқотни янада узоқроқ давом эттирилса, атом соатини янада аниқроқ қилиш мумкин бўлади. «Масала зарурий аниқликка эришиш учун қанча вақт кетиши билан боғлиқ холос. Кўп ҳодисаларни ўлчаш учун жуда қисқа вақт керак бўлади», деди у.

Унинг айтишича, чигал атомларга асосланган атом соати нафақат вақт ҳисобини юритиш учун, балки мавҳум материя ва гравитация тўлқинлари сингари коинот сирларини ўрганишда ҳам ёрдам беради.

Шунингдек, бундай атом соати «Коинот кексайгани сари, ундаги ёруғлик тезлиги ҳам ўзгарадими?», «Электроннинг заряди ўзгарадими?» сингари бир неча азалий саволларга жавоб олишда хизмат қилиши мумкин. «Янада аниқроқ атом соати билан шуларни тадқиқ қилса бўлади», деб фикрини якунлаган илмий гуруҳ аъзоси Вулетич.

Тадқиқот АҚШ миллий илм-фан фонди, ҳарбий денгиз тадқиқотлари бошқармаси ва DARPA томонидан молиялаштирилди.