Ένας νέος τρόπος μέτρησης του χρόνου με απίστευτη ακρίβεια χωρίς ρολόι και χωρίς αρχή!

Η μέτρηση του χρόνου στην καθημερινότητα μας είναι απλή υπόθεση: μετράμε τα δευτερόλεπτα από το «τότε» μέχρι το «τώρα» με τη βοήθεια ρολογιών, εκκρεμών και ψηφιακών μηχανισμών. Στον κβαντικό όμως κόσμο, όπου κυριαρχούν τα σωματίδια και οι πιθανότητες, τέτοιες έννοιες είναι συχνά θολές και ασαφείς. Το «τώρα» μπορεί να μην έχει ξεκάθαρη ύπαρξη, και το «τότε» να μην είναι προσδιορίσιμο.

Μια νέα επιστημονική προσέγγιση που προτάθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Ουψάλα στη Σουηδία προσφέρει μια ριζικά διαφορετική μέθοδο μέτρησης του χρόνου, βασισμένη όχι σε χρονόμετρα, αλλά στην ίδια τη φύση του κβαντικού θορύβου.

Στο επίκεντρο της έρευνας βρίσκονται τα λεγόμενα άτομα Rydberg, ατομικά συστήματα με εξαιρετικά διεγερμένα ηλεκτρόνια, τα οποία ανυψώνονται σε υψηλές ενεργειακές καταστάσεις μέσω ακτινοβολίας laser. Τα ηλεκτρόνια αυτά δεν ακολουθούν καθορισμένες τροχιές, αλλά συμπεριφέρονται σαν κυματικά σύννεφα, με εντυπωσιακά μοτίβα που διαμορφώνονται από την παρεμβολή διαφόρων κυμάτων.

Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι όταν πολλά «κυματικά πακέτα Rydberg» συνυπάρχουν, δημιουργούν μοναδικά μοτίβα παρεμβολής. Κάθε τέτοιο μοτίβο λειτουργεί σαν ένα «κβαντικό αποτύπωμα χρόνου», αποκαλύπτοντας το χρονικό διάστημα που έχει περάσει χωρίς την ανάγκη για ένα αρχικό σημείο αναφοράς.

Η ερευνητική ομάδα από την Ουψάλα διεξήγαγε πειράματα σε άτομα ηλίου, τα οποία διεγέρθηκαν με laser, και κατέγραψε τις αποκρίσεις των ηλεκτρονίων. Στη συνέχεια, συνέκριναν αυτά τα δεδομένα με θεωρητικά μοντέλα, επιβεβαιώνοντας ότι τα παρατηρούμενα μοτίβα παρεμβολής μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αξιόπιστες χρονοσφραγίδες (timestamps).

Όπως εξηγεί η επικεφαλής της έρευνας, Marta Berholts, το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν απαιτείται η εκκίνηση ενός χρονόμετρου: «Δεν χρειάζεται να ορίσεις μηδέν. Απλώς κοιτάς τη δομή της παρεμβολής και λες “έχουν περάσει 4 νανοδευτερόλεπτα”».

Η μέθοδος αυτή είναι ιδανική για υπερταχείς φυσικές διαδικασίες, στις οποίες είναι δύσκολο ή αδύνατο να μετρηθεί το «πότε ξεκίνησε» ένα φαινόμενο. Η τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε συνδυασμό με υπάρχουσες μεθόδους φασματοσκοπίας «pump-probe», οι οποίες καταγράφουν αλλαγές σε ατομικά ή μοριακά επίπεδα.

Η αξιοπιστία της νέας προσέγγισης επιτρέπει τη μέτρηση γεγονότων που διαρκούν μόλις 1,7 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, με ακρίβεια που υπερβαίνει τις κλασικές μεθόδους.

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι στο μέλλον το «κβαντικό αυτό ρολόι» θα μπορεί να εξελιχθεί περαιτέρω με τη χρήση άλλων ατόμων αντί του ηλίου, ή ακόμα και με διαφορετικές ενέργειες laser, δημιουργώντας έναν «οδηγό αποτυπωμάτων» που θα καλύπτει μεγαλύτερο εύρος συνθηκών.

Η επαναστατική αυτή μέθοδος αμφισβητεί πλήρως τις παραδοσιακές μας αντιλήψεις για το χρόνο. Αντί για ένα ρολόι που μετράει από το σημείο μηδέν, χρησιμοποιεί ένα σύστημα σύγκρισης με βάση την αλληλεπίδραση κυμάτων, θυμίζοντας έναν αγώνα δρόμου όπου δεν γνωρίζουμε πότε ξεκίνησε ένας δρομέας, αλλά μπορούμε να υπολογίσουμε το πέρασμα του χρόνου συγκρίνοντάς τον με άλλους που τρέχουν σε γνωστές ταχύτητες.

Με εφαρμογές που κυμαίνονται από την υπερταχεία φασματοσκοπία μέχρι την κβαντική πληροφορική, αυτή η μέθοδος υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο μετρούμε τον χρόνο όταν τα παραδοσιακά ρολόγια απλώς δεν αρκούν.

[via]