Από τα ατομικά στα οπτικά ρολόγια Η αναζήτηση της ακρίβειας στον χρόνο δεν είναι επιστημονική διαστροφή. Έχει τεράστια σημασία για τα ηλεκτρονικά συστήματα και τις τηλεπικοινωνίες.κάθε άλμα στη μέτρηση του χρόνου είναι άλμα πολιτισμού. Τα ατομικά ρολόγια νέας γενιάς επιτυγχάνουν απίστευτες επιδόσεις ακριβείας: λειτουργούν με λέιζερ και δεν βασίζονται στο καίσιο αλλά σε άλλα, πιο «γρήγορα» στοιχεία. Η νέα, ακόμη υψηλότερης ακρίβειας, γενιά ατομικών ρολογιών λειτουργεί στα εργαστήρια των ερευνητών. Οι καινούργιες αυτές συσκευές, γνωστές ως οπτικά ρολόγια, έχουν αποσπάσει ήδη το ρεκόρ της ακρίβειας από τα άτομα του καισίου που το κατείχαν εδώ και μισό αιώνα. Σύντομα αυτή η τεχνολογία θα είναι τόσο εξελιγμένη ώστε θα κατορθώσει να παράγει ρολόγια που, αν υποθέσουμε ότι «χτυπούσαν» από τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, δεν θα είχαν χάσει ως σήμερα ούτε ένα δευτερόλεπτο.
Το επίτευγμα θα είναι κολοσσιαίο αλλά και προβληματικό. Με μια τέτοια εκπληκτική ακρίβεια ίσως θα χρειαστεί να ξανασκεφθούμε όχι μόνο τον τρόπο με τον οποίο μετράμε τον χρόνο αλλά και την ίδια την αντίληψη που έχουμε γι αυτόν. Το πρώτο μεγάλο άλμα στη μέτρηση του χρόνου σημειώθηκε το 1955, όταν, βασιζόμενος στο έργο του Ιζιντορ Ράμπι του Πανεπιστημίου Κολούμπια και σε πρωτότυπα ρολόγια του αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας του Μπόλντερ του Κολοράντο, ο φυσικός Λούι Εσεν έφτιαξε το πρώτο αξιόπιστο ατομικό ρολόι. Χρησιμοποιούσε ως μέτρο την ακριβή συχνότητα της ακτινοβολίας μικροκυμάτων που εκπέμπεται και απορροφάται όταν τα ηλεκτρόνια των ατόμων του καισίου πάλλονται ανάμεσα σε δύο κοντινά ενεργειακά επίπεδα. Το αποτέλεσμα ήταν ένα χρονόμετρο ακριβείας με καθυστέρηση ενός δευτερολέπτου ανά 300 χρόνια. Από εκείνη τη στιγμή άρχισε η αντίστροφη μέτρηση για το αστρονομικό δευτερόλεπτο. Το ατομικό δευτερόλεπτο καθιερώθηκε ως η επίσημη βασική μονάδα μέτρησης του χρόνου το 1967. Τις επόμενες δεκαετίες η ακρίβεια των ατομικών ρολογιών βελτιώθηκε ακόμη περισσότερο. Το δεύτερο μεγάλο άλμα πραγματοποιήθηκε το 1989, όταν ο φυσικός του Πανεπιστημίου Στάνφορντ Στίβεν Τσου σήμερα υπουργός Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών- και οι συνάδελφοί του ανέπτυξαν το «ατομικό σιντριβάνι», μια τεχνική που βασίζεται σε μια σφαίρα ενός και πλέον εκατομμυρίου ατόμων καισίου που ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν ανάμεσα σε ακτίνες λέιζερ.
Σήμερα τα ρολόγια αυτά επιτυγχάνουν ακρίβεια με καθυστέρηση ενός δευτερολέπτου ανά περίπου 80 εκατομμύρια χρόνια. Το 2001 η τεχνική αυτή βοήθησε τον Σκοτ Ντιντάμς και τους συναδέλφους του στο αμερικανικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας να επιτύχουν το πολυπόθητο αποτέλεσμα. Παγιδεύοντας ένα απομονωμένο ιόν υδραργύρου σε μαγνητικό πεδίο και χρησιμοποιώντας τον συνδυασμό συχνοτήτων για να συγκρίνουν τη συχνότητα των παλμών του με αυτήν ενός συνόλου ατόμων ασβεστίου, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα ρολόι ακριβείας με καθυστέρηση μικρότερη του ενός δευτερολέπτου ανά 4,5 εκατομμύρια χρόνια. Το 2004 ο Πάτρικ Γκιλ και η ομάδα του στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής της Βρετανίας βελτίωσαν τις επιδόσεις με ένα ρολόι στροντίου με καθυστέρηση ενός δευτερολέπτου ανά 9 εκατομμύρια χρόνια, μόλις ένα τρίτο του σφάλματος του καλύτερου ρολογιού καισίου εκείνης της εποχής. Λίγο αργότερα το Ομοσπονδιακό Φυσικό- Τεχνικό Ινστιτούτο της Γερμανίας έφθασε σε ανάλογα αποτελέσματα με ένα ιόν υττερβίου. Σύντομα η σκυτάλη πέρασε ξανά στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού, όπου το αμερικανικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας έσπασε όλα τα ρεκόρ ακριβείας με ένα ρολόι καισίου το 2006.
Πριν από έναν ακριβώς χρόνο, τον Μάρτιο του 2008, το ίδιο ινστιτούτο παρουσίασε ένα ρολόι που σύγκρινε τους παλμούς ενός απομονωμένου ιόντος υδραργύρου με παγιδευμένα άτομα αλουμινίου επιτυγχάνοντας ακρίβεια με καθυστέρηση ενός δευτερολέπτου ανά 650 εκατομμύρια χρόνια. Σε τι χρησιμεύουν; Γιατί όλη αυτή η σπουδή για την ανάπτυξη όλο και ακριβέστερων ρολογιών; Υπάρχει διαφορά αν ένα ρολόι κάνει λάθος ένα δευτερόλεπτο σε ένα δισεκατομμύριο ή σε 10 δισεκατομμύρια χρόνια; Ναι, απαντούν οι ειδικοί. Ένα ρολόι το οποίο θα είχε ακρίβεια που καλύπτει την ηλικία του Σύμπαντος θα επέτρεπε δοκιμές που θα έδειχναν αν οι φυσικοί νόμοι και οι σταθερές έχουν μεταβληθεί από τις απαρχές του κόσμου ως σήμερα. Επίσης θα προσέδιδε στο GΡS ακρίβεια μικρότερη του ενός μέτρου σε πραγματικό χρόνο και θα βελτίωνε θεαματικά όλα τα ηλεκτρονικά συστήματα. Από την άλλη πλευρά, ίσως θα έθετε σε σκληρή δοκιμασία τις θεωρίες του Αϊνστάιν ανατρέποντας τους γνωστούς νόμους της Φυσικής.
Οι καινοτομίες που μπορούν να προσφέρουν τα σημερινά οπτικά ρολόγια θα αργήσουν πάντως να έλθουν. Κατ αρχάς, για να επιτευχθεί η απαραίτητη ακρίβεια τα οπτικά ρολόγια δεν θα πρέπει να ενσωματωθούν μόνο στα επίγεια κύρια ρολόγια του GΡS αλλά και στα δευτερεύοντα ρολόγια του καθενός από τους 32 δορυφόρους του συστήματος- κάτι το οποίο δεν είναι καθόλου εύκολο να επιτευχθεί. Επίσης οποιοδήποτε σύστημα το οποίο με τη λειτουργία του μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ανθρώπινη ζωή πρέπει να αποδείξει την ασφάλειά του με τον πλέον αδιάσειστο τρόπο. Αυτό απαιτεί καλύτερη κατανόηση των ατμοσφαιρικών συνθηκών και των πολλαπλών ανακλάσεων στην επιφάνεια της Γης που μπορούν να επηρεάσουν τα GΡS. ΠΟΣΟ γρήγορα μπορούν τα οπτικά ρολόγια να αρχίσουν να χρησιμοποιούνται σε άλλα συστήματα, όπως π.χ. τα ευρυζωνικά δίκτυα; Αυτό εξαρτάται από το πόσο γρήγορα θα δρομολογηθεί η καθιέρωση ενός νέου προτύπου το οποίο θα αντικαταστήσει το καίσιο. Προς το παρόν δεν υπάρχει συμφωνία σχετικά με το ποιο θα μπορούσε να είναι το νέο πρότυπο: το κάθε εθνικό εργαστήριο προβάλλει τη δική του επιλογή ιόντος ή ατόμου. Το 2006 η Διεθνής Επιτροπή Μέτρων και Σταθμών ενέκρινε τις οπτικές μεταβάσεις στον υδράργυρο, στο στρόντιο και στο υττέρβιο αλλά μόνο ως δευτερεύουσες αντιπροσωπεύσεις του δευτερολέπτου ως την αντικατάσταση του κυρίου προτύπου του καισίου.