دانشمندان روشی کاملا جدید برای اندازه‌گیری زمان پیدا کردند

اندازه‌گیری گذر زمان در دنیای روزمره ما، با ساعت‌ها و پاندول‌ها کار ساده‌ای است: شمردن ثانیه‌ها از «قبل» تا «اکنون». اما در مقیاس کوانتومی، یعنی در دنیای الکترون‌های در حال نوسان، «قبل» همیشه قابل پیش‌بینی نیست و «اکنون» اغلب به شکلی مبهم ظاهر می‌شود. در چنین شرایطی، ساعت‌های معمولی کارایی ندارند. اما پژوهشگران دانشگاه اوپسالا در سوئد در مطالعه‌ای که سال ۲۰۲۲ آغاز شد، روشی نوین برای اندازه‌گیری زمان ارائه کرده‌اند که نیاز به نقطه شروع دقیق ندارد.

به گزارش همشهری آنلاین به نقل از ساینس آلرت،این روش مبتنی بر رفتار موجی الکترون‌ها در حالت ریدبرگ (Rydberg state) است. اتم‌های ریدبرگ را می‌توان مانند بالون‌های بسیار بزرگ‌شده در دنیای ذرات تصور کرد. این اتم‌ها با استفاده از لیزر به حالت انرژی بسیار بالا منتقل می‌شوند، طوری که الکترون‌ها بسیار دور از هسته می‌چرخند.

در آزمایش‌ها، لیزر اول الکترون‌ها را تحریک می‌کند و لیزر دوم تغییر موقعیت آن‌ها را پایش می‌کند؛ این روش که «pump-probe» نامیده می‌شود، می‌تواند برای سنجش گذر زمان در مقیاس‌های فوق سریع استفاده شود.

آغاز دوران ساعت های کوانتومی

حرکت الکترون‌ها در حالت ریدبرگ به صورت تصادفی و مشابه بازی رولت توصیف می‌شود، اما رفتار آن‌ها طبق قواعد ریاضی خاصی به نام بسته‌های موج ریدبرگ (Rydberg wave packets) قابل پیش‌بینی است. وقتی چند بسته موج ریدبرگ در یک فضا تداخل می‌کنند، الگوهای منحصربه‌فردی ایجاد می‌شود که هر کدام نشان‌دهنده مدت زمانی است که بسته‌ها نسبت به هم تکامل یافته‌اند.

مارتا برهولتس، فیزیکدان دانشگاه اوپسالا و رهبر این تحقیق، توضیح می‌دهد: مزیت این روش این است که نیازی به تعیین نقطه صفر نیست. شما فقط به ساختار تداخلی نگاه می‌کنید و می‌گویید، ‘۴ نانوثانیه گذشته است.

با استفاده از این «اثر انگشت‌های زمانی»، پژوهشگران موفق شدند گذر زمان را با دقت ۱.۷ تریلیونیم ثانیه اندازه‌گیری کنند، بدون نیاز به نقطه شروع و توقف سنتی. این روش می‌تواند پایه‌ای برای ساعت‌های کوانتومی آینده باشد و دامنه کاربرد آن با جایگزینی هلیم یا تغییر انرژی پالس‌های لیزری گسترش یابد.

این کشف نه تنها چشم‌اندازی تازه برای اندازه‌گیری زمان در مقیاس‌های فوق سریع ایجاد می‌کند، بلکه می‌تواند انقلابی در طراحی ابزارهای پیشرفته فیزیک کوانتومی و فناوری‌های مرتبط با آن رقم بزند.