Yangi turdagi atom soati vaqtni yanada aniqroq hisoblaydimi?

Atom soatlarini qo‘llash orqali yasalgan konstruksiya fizik olimlariga mavhum materiyani aniqlashda va gravitatsiyaning vaqtga qanday ta’sir ko‘rsatishini o‘rganishda yordam berishi mumkin. “Daryo” MIT News portalida e’lon qilingan materialni tarjima tariqasida taqdim etadi.
Atom soati — jahondagi eng aniq xronometrdir. Bunday soatda doimiy bir xil tebranuvchi atom tebranishlarini o‘lchaydigan lazer qo‘llaniladi. Jahondagi eng yaxshi atom soatlari vaqtni shu qadar katta aniqlik bilan o‘lchaydiki, bu soat koinot yaralgan lahzadan boshlab ishlaganida ham hozirgacha ko‘pi bilan yarim soniyaga adashgan bo‘lardi, xolos.

Shunga qaramay, atom soati ham yanada aniqroq bo‘lishi mumkin. Atom soati aniqroq va sezuvchanroq bo‘lganida, u atomlarning tebranishlarini yanada aniqroq o‘lchagan bo‘lardi va bu mavhum materiya hamda gravitatsiya to‘lqinlari singari hodisalarni aniqlashda yordam berardi. Mukammalroq atom soati bo‘lsa, olimlar gravitatsiyaning vaqtning kechishiga qanday ta’sir ko‘rsatishi va koinotning yoshi o‘tgani sayin vaqtning oqimi ham o‘zgaradimi yoki yo‘qmi, degan jumboqli savollarga javob topa olishlari mumkin bo‘lardi.
Massachusets texnologiya instituti fiziklari tomonidan ishlab chiqilgan yangi turdagi atom soati olimlarga yuqoridagi kabi savollarni tekshirishda va yangicha talqindagi fizika eshiklarini ochishda yordam berishi mumkin.
Nature jurnalida e’lon qilingan maqolada aytilishicha, ushbu institut olimlari atom bulutlaridagi tasodifiy tebranishlarni o‘lchashga asoslangan tarzda ishlaydigan hozirgi mavjud atom soatlaridan farqli ravishda ishlaydigan, ya’ni buning o‘rniga atom chigalliklaridan foydalanadigan yangi turdagi atom soatini ishlab chiqdi. Ushbu uskuna atom chigalligisiz ishlaydigan soatdan ko‘ra to‘rt karra aniqroq ishlashi mumkin.
“Kuchaytirilgan atom chigalligiga ega optik atom soati soniyani o‘lchashning aniqligini oshirishi uchun hozirgi mavjud optik soatdan ko‘ra kattaroq potensialga ega bo‘ladi”, — degan tadqiqotning yetakchi mualliflaridan biri, Massachusets texnologiya instituti elektronika tadqiqotlari laboratoriyasida postdoktoral faoliyat yuritayotgan olim Edvin Pedrozo-Penyafel.
Mavjud atom soatlari ham xuddi Massachusets texnologiya instituti jamoasining atom soati singari atom chigalligini o‘lchashga moslangan bo‘lganida, bunday soatning aniqlik darajasi butun koinot yoshiga nisbatan 100 millisekunddan ham kam bo‘lgan bo‘lar edi.
Vaqt limiti
Odamlar vaqtning o‘tishini hisoblay boshlagan ilk paytlarda buni davriy hodisalarga tayanib, masalan, Quyoshning chiqishi va osmondagi harakati singarilarga asoslanib yuritgan. Atomlarning tebranishi esa hozirda olimlar kuzatish imkoniga ega bo‘lgan eng barqaror va aniq davriy hodisadir. Masalan, bitta seziy atomi boshqa bir seziy atomi bilan aniq bir xillikdagi chastota bilan tebranadi.

Vaqt hisobini aniq yuritish uchun atom soati ideal holatda alohida bir dona atomning tebranishini kuzatishi kerak. Lekin bunday miqyosda atom shu darajada kichikki, u o‘zini kvant mexanikasi qoidalariga binoan tutadi: o‘lchashda u xuddi tanga tashlangandek harakat qilib, qanday to‘g‘ri tushishi ehtimolligi faqat tangani qancha ko‘p marta tashlangandagi o‘rtacha qiymatga asoslangan bo‘ladi. Bunday cheklovlarni fizikada standart kvant cheklovi (chegarasi) deyiladi.
Maqola mualliflaridan biri Kolombo bu haqida “Atomlar soni ortsa, ushbu barcha ko‘p sonli atomlardan olingan o‘rtacha qiymat aniq to‘g‘ri qiymatga yaqinlashib keladi”, deb izoh berdi.
Shu sababli ham zamonaviy atom soati minglab turdagi atomlarning tebranishlarining o‘rtacha qiymatini o‘lchashga asoslangan. Atom soatida buning uchun lazer sistemasini qo‘llaydi va unda o‘ta past haroratdagi atomlarni lazer yordamida qo‘yilgan tuzoqqa haydaydi. Ikkinchi, o‘ta barqaror lazer esa ushbu atomlarning tebranish chastotasiga yaqin chastotaga ega bo‘ladi va u orqali tuzoqdagi atomlarning tebranishi qayd etiladi.
Shunga qaramay, standart kvant cheklovi amal qilishi sababli hatto minglab atomlardan iborat tebranishlarda ham ularning har birining individual tebranishiga nisbatan muayyan noaniqlik saqlanib qoladi. Aynan shu o‘rinda kvant chigalligi yordamga kelishi mumkin. Umuman olganda, kvant chigalligi mumtoz fizikaga oid holat emas va unda har bir atom o‘zini xuddi tanga tashlanganidek ehtimoliylik bilan tutsa ham guruhdagi atomlar o‘lchashning korrelyatsion natijalarini taqdim qiladi.
Ilmiy jamoa shunday xulosaga keldiki, atom chigalligidan foydalaniladigan bo‘lsa, ularning alohida tebranishlari umumiy chastotaga nisbatan kamroq og‘ish bilan yaqinlasha oladi. Shunga asosan atom soati bilan o‘lchanadigan o‘rtacha tebranishlar aniqligi standart kvant cheklovidan kattaroq bo‘ladi.
Chigal soat
Yangi turdagi atom soatida ilmiy jamoa, ko‘rinadigan yorug‘lik singari baland chastotada tebranuvchi 350 ga yaqin itterbiy atomini chigallikka olib kirdi. Bu degani bundagi har bir atom seziy atomidan ko‘ra 100 ming marotaba ko‘proq tebranadi demakdir. Itterbiy atomining tebranishini aniq kuzatish imkoni bo‘lsa, unda olimlar yanada kichik vaqt intervallarini o‘lchash uchun ushbu atomlardan foydalanishlari mumkin bo‘ladi.

Yangi turdagi atom soatida olimlar atomlarni ikkita ko‘zgu yordamida hosil qilingan optik rezonatorda sovitish usulidan foydalandi. Keyin esa optik rezonator orqali atomlar tomonga lazer yo‘naltirdi va bu lazer ko‘zgular orasida akslanish orqali atomlar bilan minglab marta o‘zaro ta’sirlashdi.
“Nur bunda xuddiki atomlar orasini bog‘lovchi vazifasini bajaradi”, deb izoh berdi tadqiqot mualliflaridan biri bo‘lgan Shu ismli olim. “Nurga duch kelgan birinchi atom ushbu nurni biroz o‘zgartiradi, bu nur ikkinchi atomni o‘zgartiradi, uchinchi atomni ham o‘zgartiradi va shu ketma-ketlikdagi ko‘p sonli sikllardan keyin atomlar barchasi bir-birini tanib oladi va hammasi o‘zini bir xil tuta boshlaydi”, dedi u.
Shu tariqa tadqiqotchilar avvaliga atomlarni chigallashtiradi, keyin ularning chastotasini o‘lchash uchun hozirda mavjud atom soatidagi singari lazerdan foydalanadi. Ilmiy jamoa xuddi shunday eksperimentni atom chigalligisiz takrorlab ko‘rganida, chigallikka ega atomlar bilan bajarilgan tajribadagi aniqlik darajasi to‘rt karra yuqoriligi ma’lum bo‘ldi.
Ilmiy jamoa a’zosi Vuletichning aytishicha, agar tadqiqotni yanada uzoqroq davom ettirilsa, atom soatini yanada aniqroq qilish mumkin bo‘ladi. “Masala zaruriy aniqlikka erishish uchun qancha vaqt ketishi bilan bog‘liq xolos. Ko‘p hodisalarni o‘lchash uchun juda qisqa vaqt kerak bo‘ladi”, dedi u.
Uning aytishicha, chigal atomlarga asoslangan atom soati nafaqat vaqt hisobini yuritish uchun, balki mavhum materiya va gravitatsiya to‘lqinlari singari koinot sirlarini o‘rganishda ham yordam beradi.
Shuningdek, bunday atom soati “Koinot keksaygani sari, undagi yorug‘lik tezligi ham o‘zgaradimi?”, “Elektronning zaryadi o‘zgaradimi?” singari bir necha azaliy savollarga javob olishda xizmat qilishi mumkin. “Yanada aniqroq atom soati bilan shularni tadqiq qilsa bo‘ladi”, deb fikrini yakunlagan ilmiy guruh a’zosi Vuletich.
Tadqiqot AQSh milliy ilm-fan fondi, harbiy dengiz tadqiqotlari boshqarmasi va DARPA tomonidan moliyalashtirildi.