Pomiar czasu wydaje się dziecinnie prosty: wystarczy włączyć stoper, odczekać aż czynność zostanie wykonana i wyłączyć stoper. Mamy tu jednak dwa pola do błędów: początek i koniec pomiaru. Naukowcy odkryli jednak sposób jak przynajmniej częściowo rozwiązać ten problem dzięki czemuś, co w dużym uproszczeniu można określić jako kwantowy pomiar czasu przez nadmuchiwanie atomów.
Kwantowy pomiar czasu – nadmuchiwanie atomów
Rozwiązaniem problemu jest nadmuchiwanie atomów. Przyznam, że to nie moja alegoria, tylko źródła, ale jest piekielnie dobra i nie zamierzam tu wymyślać koła na nowo. Chociaż oczywiście z nadmuchiwaniem ma to niewiele wspólnego, bo przecież nie da się wprowadzić powietrza do atomu, aby ten się powiększył. Da się jednak wprowadzić do niego energię, aby jego stan energetyczny był wyższy.
Na pewno każdy z Was kojarzy planetarny model atomu: protony i neutrony w środku, a dookoła, niczym planety po swoich orbitach krążą elektrony. Oczywiście model ten jest błędny, ponieważ całość jest o wiele bardziej skomplikowana i właściwie nie ma swojego odpowiednika w skali makro. Mimo wszystko można się nim posłużyć w ramach bardzo dużego uproszczenia, żeby móc wyjaśnić sobie działanie tego mechanizmu.
Otóż każdy elektron znajduje się na określonej powłoce, którą w prostych modelach czasami błędnie określa się jako orbitę. Nie ważne: ważne, że jest mu tam dobrze i nie chce być nigdzie indziej. Jednak jeśli dostarczymy mu więcej energii, to on przechodzi na wyższą powłokę – dalszą od jądra atomowego.
Zobacz też: Dwuwymiarowa materia – nie chodzi jednak o przestrzeń, a o… czas
A jeśli jest na ostatniej powłoce, to powstaje jeszcze wyższa, na którą trafia ten elektron. I to właśnie ten proces, czyli przechodzenia elektronów na wyższe powłoki można określić jako nadmuchiwanie atomów. Jak jednak nadmuchać atom? A to akurat bardzo proste – przynajmniej w założeniach. W tym wypadku wystarczy użyć lasera. Chociaż oczywiście ten nie zawsze jest konieczny, aby wybić elektrony na wyższą powłokę. Jest to określane jako stan Rydberga.
Kwantowy pomiar czasu – najniższy możliwy stan energetyczny
Problem z elektronami wybitymi na wyższą powłokę jest taki, że te nie czują się tam zbyt swobodnie. To znaczy, pozostawiają po sobie miejsce, gdzie elektron mógłby się znajdować, ale mają zbyt wysoką energię, żeby tam funkcjonować. Muszą więc obniżyć swój stan energetyczny. Jak? A to akurat bardzo proste: przez promieniowanie.
Dobrym przykładem są tu diody świecące, czyli LED. W nich elektrony emitują energię w formie fotonów, dzięki czemu są one w stanie powrócić na niższą powłokę, aż znów nie dostaną energetycznego kopa na wyższą, żeby wrócić na poprzednią, emitując światło. Tym samym przechodzi znów na najniższy możliwy stan energetyczny.
Kwantowy pomiar czasu i losowość
Rzecz w tym, że emisja energii z elektronu to rzecz bardzo losowa przy nadmuchiwaniu ich laserem. Okres ten nie może więc służyć za jednostkę czasu, bo tego nie da się przewidzieć. Da się jednak napompować wiele atomów, z których każdy będzie losowo emitował energię pod postacią fal elektromagnetycznych. Te będą wchodziły między sobą w interferencje, wzmacniając się i znosząc, co stworzy pewne wzory. Okazuje się, że obserwując zmiany w tych wzorach dla dużego zgrupowania atomów w wysokim stanie energetycznym, da się określić czas, jaki minął od ich wzbudzenia z dokładnością do 1,7 bilionowej części sekundy.
Źródło: Sciencealert, YouTube, fot. Carisa Chirita’s Images