Hoćemo li se u budućnosti vagati satom koji otkucava masu umjesto sekundi?

vaga-580x319Zamislite da se važete satom umjesto svojom vagom iz kupaonice. To je sada potencijalno moguće, nakon stvaranja prvoga sata s otkucajima koji ovise o masi jednoga atoma. Fizičari koji stoje iza ovoga projekta kažu da se radi o najfundamentalnijemu dosad izumljenom satu i da bi on mogao pomoći ponovno definirati masu kilograma.

Postojeći atomski satovi, najprecizniji satovi koji trenutno postoje, mjere koliko često elektron u atomu cezija-133 skoči između dva različita energetska nivoa, što u grubo znači da 9 milijardi takvih preskoka odgovara vremenu od jedne sekunde.

No to nije jedini način mjerenja vremena pomoću atoma. Kvantna mehanika kaže da sva materija egzistira i kao čestica i kao val. Kao val posjeduje frekvenciju, što znači i da svaka čestica ima frekvenciju. Ta je poznata pod nazivom ‘Comptonova frekvencija’ i ovisi o svojoj masi.

U načelu, bilo bi moguće izraditi ‘Comptonov sat’ s otkucajem koji je definiran Comptonovom frekvencijom pojedinoga atoma. Problem je u tome što je Comptonova frekvencija atoma 100 milijardi puta brža od frekvencije spektra vidljivoga zračenja. “Frekvencija je toliko visoka da je izvan svake mogućnosti mjerenja današnjom tehnologijom”, kaže Hogler Muller sa Sveučilišta u Berkeleyju.

Da bi riješili taj problem, on i njegov tim okrenuli su se čudnim hirovima Einsteinove teorije relativnosti, od kojih je jedan poznat pod imenom ‘paradoks blizanaca’ te kaže da će blizanac koji putuje svemirskim brodom brzinom bliskoj brzini svjetlosti nakon povratka na Zemlju biti mlađi od svoga brata blizanca koji je ostao na Zemlji zato što vrijeme protječe sporije za objekte koji se kreću.

Muller je to replicirao na atomskoj skali šaljući val atoma cezija kroz uređaj zvan ‘atomski interferometar’, što je dovelo do podjele vala na dva dijela. Jedan dio ostao je statičan, dok je drugi nastavio kretanje prije nego su se dvije polovice ponovno spojile u cjelinu. Onaj val koji se kretao malo je ispao iz faze, što je rezultat paradoksa blizanaca.

Umjesto izravnoga mjerenja Comptonove frekvencije istraživači su za mjerenje razlika među frekvencijama (koja bi iznosila oko 100.000 Hz) koristili laser. S obzirom na to da ova veličina ovisi i o masi atoma, ona može predstavljati jedan otkucaj sata. Ovaj sat bi bio najfundamentalniji sat ikad jer bi ovisio o ponašanju jedne jedine čestice.

U usporedbi s pr vim atomskim satovima ovaj bi zaostajao sekundu svakih osam godina.”Ako bi ga koristili kao sat, ne bi se baš iskazao”, kaže Muller. Za usporedbu, najbolji atomski sat kojega imamo danas zaostajao bi samo četiri sekunde da je počeo otkucavati odmah nakon Velikoga praska.

No, Comptonov sat ima jednu kvalitetu koja drugim atomskim satovima nedostaje; s obzirom na to njegova frekvencija ovisi o masi samo jednoga atoma, mogao bi biti korišten kao zlatni standard za mjerenje težine.

Znanstveni standard za masu trenutno je definiran kilogramom metala smještenoga u Međunarodnome uredu za utege i mjere u Parizu, ali mjeritelji misle da je vrijeme da se nešto promijeni – s vremenom je došlo do mikroskopskih onečišćenja koja utječu na preciznost.

U konkurenciji su dvije metode koje bi zamijenile grumen metala. Prva bi bila izračun točnoga broja silicijevih atoma u kugli težine gotovo savršenoga kilograma, poznatoj kao ‘Avogadrova sfera’ koju su napravili znanstvenici iz tzv. Avogadrovoga projekta iz 2008. Drugi prijedlog je upotreba uređaja poznatoga kao ‘wattova vaga’ (engl. watt-balance), eksperimentalnoga uređaja koji radi na principu odnosa između mase naspram snage struje i napona, što predstavlja osnovnu Planckovu konstantu.

Comptonov sat nudi treću alternativu. Masa cezijevoga atoma u satu može biti izračunata iz Comptonove frekvencije, Planckove konstante i brzine svjetlosti s točnosti od četiri čestice na milijardu. S obzirom na to da je poznata relativna masa svih atoma, ova tehnika je pravo blago za vrlo precizno mjerenje mase drugih atoma jer tada možemo izračunati koliko bi atoma trebao sadržavati kilogram određenoga elementa. Ovaj lanac proračuna smanjuje preciznost na 30 čestica na milijardu, ali to je još uvijek usporedivo s preciznosti wattove vage, kaže Muller.

Ian Robbinson iz britanskoga Državnog laboratorija za fiziku kaže da je njihova tehnika iznimno moćna te ukazuje na činjenicu da ona omogućuje precizan izračun mase jednoga jedinog atoma, što nije moguće mjeriti wattovom vagom, namijenjenom samo za mjerenje makroskopskih objekata.

Korištenje Comptonovoga sata za mjerenje mase kod makroskopskih objekata moglo bi ipak predstavljati problem – jeftine i precizne metode koje bi pružale mogućnost mjerenja veće atomske mase jednostavno još nisu dostupne, kaže Richard Steiner s američkoga Državnog instituta za standarde i tehnologiju u Gaithersburgu.

Kako god bilo, ova metoda se još uvijek testira, pa ćemo jednoga dana možda imati satove koji nam savjetuju da bi bilo dobro da skinemo koji kilogram.
Izvor: NewScientist

Leave a Comment