Iga nanosekund tõesti loeb
?Ajamõõtmine on koht, kus muidu äärmiselt abstraktsed teooriad relatiivsusest, gravitatsioonist ning kvantmehhaanikast töötavad tihedalt koos sääraste igapäevaste objektidega nagu mobiiltelefonid või faksiaparaadid,? selgitab Londoni edelaosas paikneva riikliku füüsikalaboratooriumi teadlane John Laverty.
Teddingtonis materialiseeruvad igapäevaselt Einsteini relatiivsusteooria kõige kummalisemana tunduvad ennustused ? näiteks see, et kiirus ja gravitatsioon suudavad aja kulgu aeglustada.
?Meie leiutatud aatomikellad on nii täpsed, et kui mõni neist oleks käivitatud 32 miljonit aastat tagasi, oleks ta praegu eksinud ehk umbes sekundi võrra,? kõneleb Laverty. Selline täpsus muudabki nad relatiivsuse suhtes nii tundlikuks: näiteks kui panna üks kelladest alusele, mis on teisest kõigest kümme meetrit kõrgem, lähevad ajanäitajad kohe sünkroonist välja. DzŠomolungma harjal paiknev kell käiks merepinnal asuvatest ajanäitajatest ette 30 mikrosekundit aastas.
Esimesed aatomikellad loodi 50-ndatel, mil sekundit defineeriti kui osa päevast. Kuid aatomkellade täpsuse tõttu 1967. aastal sekundi definitsiooni muudeti, määrates seda tseesiumi aatomi võnkumisega. Aatomikellad kasutavad ära asjaolu, et aatomid vahetavad energiataset, kui neid tabab õige sagedusega valgus- või mikrolainekiirgus. Niisugune võnkumine on ülimalt regulaarne.
Pidev püüd kellade täpsust lihvida saab märkimisväärse tõuke järgmisel aastal, mil mitu miniatuurset aatomikella saadetakse kosmosesse. Seal vabanevad nad suurel määral gravitatsiooni segavast mõjust. Praegu käivad parimad kellad täpsusega 86 pikosekundit päevas. Võrdluseks ? ühe pikosekundiga läbib valgus vaid kolm sentimeetrit.
Väga huvitav, aga paratamatult kerkib küsimus: ja mis siis? Kas me tõesti vajame järjest täpsemaid ajamasinaid? Kindlasti suudab isegi kõige punktuaalsem inimene taluda paari pikosekundilist hilinemist. Kuid asi on selles, et aeg ei valitse mitte üksnes meie elusid, ta valitseb ka tehnoloogiat, mis tänapäeva maailma liigutab. Informatsiooni edastamine interneti-, telefoni- ja arvutivõrkudes, samuti signaalid GPS asukohamääramissatelliitidelt ning keerukad võrgustikud, mis kontrollivad elektrivarustust, tuginevad kõik täpsele sünkronisatsioonile. Mida rohkem neid võrke üle koormata, seda suurem on risk, et nad ei pea vastu ja sünkronisatsioon ning seega ka kellad pole enam täpsemad.
?GPS võidaks suuremast täpsusest,? räägib Laverty. ?Süsteem töötab sel teel, et mõõdab, kui kaua võtab raadiosignaalidel aega, et jõuda satelliitidelt mingi punktini. Satelliitide kasutatud kellad on sünkroniseeritud mõne nanosekundini, mis võimaldab tagada umbes kümnemeetrise täpsuse. Et viia täpsus kolme sentimeetrini, tuleks vähendada viga tublisti alla saja pikosekundi ? ning see oleks juba majanduslikult tasuv ettevõtmine.?
Kõige rohkem tõotab meie elu mõjutada aga väikeste ning erakordselt täpsete aatomikellade tööstuslik tootmine. USA kaitseministeerium tõi augustis välja neist kõige arenenumad, mis mahuvad arvutikiipi. Nende mehhanism on umbes riisitera suurune ning ta vajab töötamiseks energiat vähem kui 75 tuhandikku vatti.
Niisugune seade suudaks tõsta GPS-i või energiatootjate poolt kasutatavate võrkude efektiivsust. Näiteks GPS-i abil võimaldaks see leida täpselt maa-aluste torude või telekommunikatsioonikaablite asukoha ? vähendades seega parandustööde maksumust ja ebamugavust ? ning luua uusi teenuseid inimestele, kes on GPS-i abil ühenduses oma mobiiltelefonide kaudu.
Peale aatomikellade keskenduvad Teddingtoni teadlased praegu ?optilisele ioonkellale?. See täiesti uus süsteem kasutab ultraviolettlaserit, mis sunnib näiteks elavhõbeda või strontsiumi peaaegu liikumatu aatomi ümber tiirlevat elektroni oma orbiiti kvintiljon korda sekundis muutma. Nagu aeg, ei seisa ka teadlaste uurimistöö kunagi paigal.
Iga järgnev neis on üks tuhandik eelmisest:
?? Üks sekund: aeg, mis kulub taskulambilt saadetud valguskiirel 300 000 km läbimiseks (kolmveerand teekonda Kuule)
?? Millisekund: seda kasutatakse arvutites niisuguste nähtuste mõõtmiseks nagu pildi muutus kuvariekraanil või andmeedastus CD-ROM-ilt
?? Mikrosekund: fotoaparaadi välgusähvatus, mis võimaldab jäädvustada lendava kuuli
?? Nanosekund: aeg, mis kulub arvutikiibil sisse-väljalülitumiseks. Valgus liigub selle ajaga 30 sentimeetrit
?? Pikosekund: kasutatakse mõõtmaks lainevorme kaasaegsetes digitaalkommunikatsiooniseadmetes
?? Femtosekund: niisuguseid laserimpulsse kasutatakse keemiliste reaktsioonide pildistamiseks
?? Attosekund: vesinikuaatomi ümber tiirlev elektron teeb tiiru 150 attosekundi jooksul
