Hétszázharminc millió év alatt téved egy másodpercet a legpontosabb óra

A korábbi rekordereknél százszor pontosabb az a brit atomóra, amely fizikusok mérései alapján a világ legpontosabb órájának tekinthető. A különleges óra működése a céziumatomok rezgésén alapszik, belsejében lézersugarak tartják fenn a céziumgáz halmazát.

Amerikai és brit fizikusok kiértékelése alapján a brit nemzeti fizikai laboratórium Teddingtonban található, NPL-CsF2 jelű cézium szökőkút órája a világ legpontosabb hosszú távú időmérő eszköze. Az óra működése 133-as tömegszámú céziumatomok rezgésén alapul, és annál pontosabb az időmérés, minél lassabban mozognak az atomok. Ha klasszikus fizikában gondolkozunk, akkor úgy képzelhetjük el, hogy az atomok rezegnek, és mi ezeket a rezgéseket számoljuk. A kvantumfizikában nincs szemléletes kép, de a lényeg megmaradt: rezgéseket számolni abban is lehet.

Az igazán pontos órához egymilliomod kelvinre hűtött céziumgáz kell, melyet lézernyalábokkal tartanak fenn. A szökőkút óra elnevezés onnan ered, hogy az órában a céziumgázból álló halmaz úgy táncol a függőleges lézersugáron, mint egy labda a szökőkút vízsugarán.

A cézium szökőkút óra pontosságát a céziumatomok relatív sebességeltérése Doppler-hatás előidézésével rontja. Ez a jelenség szétkeni a frekvenciát, a közeledő vagy távolodó céziumatom ugyanis más frekvenciával rezgőnek látszik. A mérési bizonytalanság másik fő forrása, a mikrohullámú lencsehatás abból ered, hogy a mikrohullámok az óra belsejében óhatatlanul hatással vannak az idő mérésére használt atomokra. Természetesen a céziumgáz is hat a mikrohullámokra, hiszen az óra működése pont azon alapul, hogy az atomok mikrohullámú sugárzást nyelnek el, illetve bocsátanak ki. Az atom-foton kölcsönhatás azonban rugalmas ütközés is lehet, azaz a sugárzás fókuszálódhat a céziumlencsében. Ennek elméleti korrigálására a kutatók most kidolgoztak egy modellt, mely segít megérteni, hogyan lökdösi a mikrohullám a céziumatomokat .

Kurt Gibble, a Penn State Egyetem munkatársa és kollégái matematikai modellek és numerikus számítások segítségével növelték az atomóra pontosságát. A cézium szökőkút most minden eddiginél pontosabb, bizonytalansága 2,3 × 10^-16, ami azt jelenti, hogy 730 millió év alatt téved egy másodpercet. Ez mintegy százszoros pontosság az eddigi csúcstartókhoz képest.

A koordinált világidő (Universal Time Coordinated, UTC) és a nemzetközi atomidő (International Atomic Time, TAI) abban különbözik egymástól, hogy az UTC szökőmásodperceket is figyelembe vesz. Erre a Föld forgásának lassulása miatt van szükség, így az UTC a földi időzónák alapja, míg a TAI számítása kizárólag az atomórákon alapul. A TAI megállapításához 200 atomórát használnak, melyek a világ mintegy 70 precíziós időmérési laboratóriumában működnek.

A legújabb fejlesztések eredményeképpen extrém kis Doppler-eltolódások mérése is lehetővé válik. Ha a járdán egy piros közlekedési lámpa felé sétálunk, akkor a lámpa fénye számunkra egy picit eltolódik a narancssárga felé, mert a fény frekvenciája az eredeti frekvencia százmilliomodnyi részével növekedik. Mi természetesen nem vesszük észre ezt a parányi változást, az új cézium szökőkúttal viszont még ennél 100 milliószor kisebb Doppler-eltolódásokat is ki lehet majd mutatni.

Miért van szükség ilyen pontosságú, a gyakorlati igényeket messze túlszárnyaló időmérésre? Az ok ugyanaz, mint a fizikai alapkutatásoké általában. Az univerzum kutatása már igényli ezt a pontosságot. A fizikában megkülönböztetik az atomok rezgése alapján mért időt és az égitestek mozgásából származtatott időt. Az atomóra és a csillagóra eddig együtt futott, de nincs garancia arra, hogy ez a jövőben, nagyobb mérési pontossággal is így marad. Ha a kutatók eltérést tapasztalnának e kétféle mérési alapú idő között, az akkora megrázkódtatás volna a fizika időfogalma számára, mint száz évvel ezelőtt a relativitáselmélet. Abban az esetben a fizikai állandók mibenlétét is felül kéne vizsgálni.