นักวิทยาศาสตร์ที่ National Institute of Standards and Technology ได้สร้างนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำที่สุดในโลก โดยบรรลุความแม่นยำถึงตำแหน่งทศนิยมที่ 19 แต่สิ่งที่ดึงดูดความสนใจของชุมชนเทคโนโลยีไม่ใช่เพียงความแม่นยำที่สร้างสถิติใหม่เท่านั้น แต่เป็นความสามารถของนาฬิกาในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงที่เล็กมากของสนามแรงโน้มถ่วง ซึ่งเปิดโอกาสใหม่ๆ ที่น่าทึ่ง
ข้อมูลจำเพาะของนาฬิกา:
- ความแม่นยำ: 19 ตำแหน่งทศนิยม (ความไม่แน่นอนเชิงระบบ 5.5×10^-19)
- การปรับปรุง: แม่นยำมากขึ้น 41% เมื่อเทียบกับสถิติก่อนหน้า
- ความเสถียร: เสถียรกว่านาฬิกาไอออนอื่นๆ 2.6 เท่า
- เวลาในการวัด: ลดลงจาก 3 สัปดาห์เหลือ 1.5 วันสำหรับความแม่นยำสูงสุด
การวัดแรงโน้มถ่วงผ่านเวลา
นาฬิกาไอออน อลูมิเนียม ตัวใหม่นี้มีความไวสูงจนสามารถตรวจจับผลกระทบของการขยายเวลาเล็กน้อยที่เกิดจากการเคลื่อนที่สูงขึ้นหรือต่ำลงเพียงไม่กี่เซนติเมตร ซึ่งทำงานได้เพราะเวลาเคลื่อนที่เร็วขึ้นเล็กน้อยที่ระดับความสูงมากขึ้นเนื่องจากสนามแรงโน้มถ่วงที่อ่อนลง ซึ่งเป็นการทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ที่นาฬิกาตัวนี้สามารถวัดได้ด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน
การอภิปรายในชุมชนเผยให้เห็นผลกระทบในทางปฏิบัติของความไวนี้ นาฬิกาสามารถตรวจจับคนที่เดินผ่านไปมาใกล้ๆ ได้ในทางทฤษฎีผ่านอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของพวกเขา แม้ว่าผลกระทบจะเล็กมาก บางคนแม้แต่เสนอให้ใช้เครือข่ายของนาฬิกาเหล่านี้เป็นเรดาร์แรงโน้มถ่วงประเภทใหม่สำหรับการตรวจจับเรือดำน้ำหรือการทำแผนที่การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นใต้ดิน
การขยายเวลา: ผลกระทบที่เวลาผ่านไปในอัตราที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับความแรงของสนามแรงโน้มถ่วงหรือการเคลื่อนที่สัมพัทธ์
ความสามารถในการตรวจจับ:
- การตรวจจับแรงโน้มถ่วง: สามารถวัดการขยายตัวของเวลาจากการเปลี่ยนแปลงความสูงเพียงไม่กี่เซนติเมตร
- การเปรียบเทียบกับนาฬิกา cesium: ความละเอียดในการเลื่อนตัวแนวตั้งประมาณ 1 ไมล์ เทียบกับไม่กี่เซนติเมตร
- การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้: การสำรวจทางธรณีวิทยา การตรวจจับสสารมืด การวิจัยฟิสิกส์พื้นฐาน
- การตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วง: เป็นไปได้หากมีการติดตั้งเครือข่ายอย่างเพียงพอ
ความท้าทายทางเทคนิคและแนวทางแก้ไข
เส้นทางสู่ความแม่นยำที่สร้างสถิติใหม่นี้ต้องแก้ไขความท้าทายทางวิศวกรรมมากมาย ทีมวิจัยต้องออกแบบกับดักไอออนใหม่โดยใช้แผ่นเพชรที่หนากว่าและการเคลือบทองคำที่ปรับปรุงแล้วเพื่อลดการเคลื่อนที่ของไอออนที่ไม่ต้องการ พวกเขายังสร้างห้องสุญญากาศใหม่จากไทเทเนียมแทนเหล็ก ซึ่งลดก๊าซไฮโดรเจนในพื้นหลังลง 150 เท่า และทำให้การทดลองสามารถดำเนินไปได้หลายวันแทนที่จะเป็นเพียง 30 นาที
สิ่งที่น่าประทับใจที่สุดคือทีมได้ร่วมมือกับห้องปฏิบัติการ NIST อีกแห่งที่อยู่ห่างออกไป 3.6 กิโลเมตร โดยใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสงใต้ถนนเพื่อแบ่งปันเลเซอร์ที่เสถียรมาก ความร่วมมือนี้ลดเวลาการวัดจากสามสัปดาห์เหลือเพียงหนึ่งวันครึ่งสำหรับการบรรลุความแม่นยำสูงสุด
กับดักไอออน: อุปกรณ์ที่ใช้สนามไฟฟ้าเพื่อยึดอนุภาคที่มีประจุไว้ในตำแหน่ง ห้องสุญญากาศ: ภาชนะที่ปิดสนิทซึ่งมีการดูดอากาศส่วนใหญ่ออกไปเพื่อป้องกันการรบกวน
องค์ประกอบทางเทคนิค:
- คู่ไอออน: ไอออนอะลูมิเนียม (สำหรับการจับเวลา) + ไอออนแมกนีเซียม (สำหรับการควบคุม)
- วัสดุกับดัก: แผ่นเวเฟอร์เพชรที่เคลือบด้วยขั้วไฟฟ้าทอง
- ห้องสุญญากาศ: โครงสร้างไทเทเนียม (แก๊สไฮโดรเจนน้อยกว่าเหล็กถึง 150 เท่า)
- ระบบเลเซอร์: เลเซอร์ที่มีความเสถียรสูงซึ่งใช้ร่วมกันผ่านการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงระยะทาง 3.6 กิโลเมตร
- ระยะเวลาในการพัฒนา: การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 20 ปี
เกินกว่าการบอกเวลา
ในขณะที่การประยุกต์ใช้ในทันทีมุ่งเน้นไปที่การกำหนดมาตรฐานทางวิทยาศาสตร์ใหม่สำหรับการวัดวินาที ผลกระทบในวงกว้างขยายไปไกลเกินกว่าการบอกเวลา ความไวสูงของนาฬิกาทำให้มันเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังสำหรับการวิจัยฟิสิกส์พื้นฐาน รวมถึงการค้นหาสสารมืดและการทดสอบว่าค่าทางฟิสิกส์ที่ควรจะคงที่นั้นเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาจริงหรือไม่
ชุมชนยังสังเกตเห็นการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ใน geodesy ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์การวัดรูปร่างและสนามแรงโน้มถ่วงของโลก การวัดที่แม่นยำเช่นนี้สามารถปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโครงสร้างใต้ดิน กระแสน้ำในมหาสมุทร และแม้แต่ช่วยตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงจากอวกาศ
ด้วยแพลตฟอร์มนี้ เราพร้อมที่จะสำรวจสถาปัตยกรรมนาฬิกาใหม่ๆ เช่น การขยายจำนวนไอออนนาฬิกาและแม้แต่การพันกันของพวกมัน ซึ่งจะปรับปรุงความสามารถในการวัดของเราให้ดีขึ้นอีก
ความสำเร็จนี้แสดงถึงการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 20 ปี ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการลงทุนทางวิทยาศาสตร์อย่างต่อเนื่องสามารถนำไปสู่เทคโนโลยีที่ก้าวล้ำพร้อมการประยุกต์ใช้ที่เราเพิ่งเริ่มจินตนาการได้
อ้างอิง: NIST Ion Clock Sets New Record for Most Accurate Clock in the World