Põimunud aatomid annavad täpse aja

Alla kümnendiksekundi – nõnda vähe eksinuks revolutsiooniline uus aatomkell, kui see oleks töötanud Suurest Paugust tänapäevani. See kell kasutab erilist kvantmehaanilist nähtust ning on niivõrd tundlik, et selle abil võib ehk leida universumi mõistatuslikku tumeainetki.

Illustratsioon: Imeline Teadus  

Tänapäevased parimad aatomkellad eksivad 300 miljoni aasta jooksul kõigest ühe sekundi. Kui niisuguse täpsusega kell hakanuks tiksuma universumi algushetkel 13,8 miljardit aastat tagasi, oleks see praeguseks võinud eksida minuti jagu. Säärase täpsusega kellast on enam kui küll, et tavainimene saaks selle järgi oma argiasjade ajamist sättida, aga füüsikutele sellest ei piisa. Probleem seisneb selles, et aatomkellade täpsusele paneb piiri aatomite enda ebatäpsus – või õigem oleks öelda – nende ettearvamatu, määramatu käitumine.

Mikromaailma osakeste liikumisega tegelevat füüsika haru nimetatakse kvantmehaanikaks. Selle üks põhilisi seisukohti on, et osakeste käitumine on tõenäosuslik, ning selles, mil moel need parasjagu käi­tuvad, saab veenduda alles siis, kui neid vaadelda.

Kõikidel kelladel on tarvis mingit tüüpi võnkuva mehhanismi abi, mille võnke­perioodi pikkuse järgi saab aega arvestada. Vanaaegse pendelkella oluline osa on pendel, külgsuunas võnkuv raskusega varras. Iga kord, kui pendel on liikunud korra edasi-tagasi, on kulunud üks sekund.

Imeline Teadus
Imeline Teadus on Skandinaavia suurim populaarteaduslik ajakiri
Ajakiri ilmub ühe korra kuus, iga kuu alguses.

Kui varras ja selle otsas olev raskus on valmistatud täpselt ja kell on õigesti seadistatud, võngub pendel ühtlaselt, nii et võnkeperiood on alati sekundipikkune. Kell ei jää ei maha ega lähe ette. Pendelkella täpsusel on muidugi omad piirid, mis tulenevad sellest, kui hästi pendel, raskus ja kogu kella­värk on valmistatud, kui heas seisu­korras kell on jne. Argielus toimetulekuks on korralik seinakell siiski hea abimees.

Aatomkellades kasutatakse aja mõõtmiseks aatomite (tavaliselt tseesiumiaatomite) ergastamist. Ergastamine tähendab, et aatomite elektronidele antakse lisaenergiat ja nii viiakse need ühelt energiatasemelt teise­le. Eri energia­tasemetele vastab kindla sagedusega elektromagnetkiirgus, mis on ise­loomulik igale keemilisele elemendile.

Aatom koosneb tuumast, milles on prootonid ja neutronid, ning elektronidest, mis tiirlevad ümber tuuma sellest eri kaugusel asuva­tel radadel, mida nimetatakse orbitaalideks. Eri orbitaalidel on erinev energia, mida lähemal tuumale, seda väiksem. Kui nüüd aatomit laserikiirega ergastada, saab võtmetegelaseks just elektron, mis liigub teisele energiatasemele ehk teisele orbitaalile ümber tuuma. Selle hüppe sooritab elektron ainult siis, kui aatomit tabab kindla sagedusega kiirgus, ja uuele orbitaalile ei jää see kauaks, vaid varsti liigub elektron eel­misele energiatasemele tagasi. Teadlased saavad elektronide üleminekut registreerida, ning kui see toimub, tähendab see, et laserikiirguse sagedus, millega aatomit pommitati, on õige. Kuna elektromagnetvõnkumised on stabiilseimad perioodiliselt toimuvad sündmused, mida tead­lased vaadel­da saavad, siis nendel võnku­mistel aatomkell põhinebki ning need aitavad laservalguse sagedust ja sedasi ka aja­arvamist täpsustada.

Loe uue aatomkella kohta lähemalt detsembri Imelisest Teadusest!

Jaga lugu:
Klienditeenindus
KlienditeenindusVana-Lõuna 39/1, 19094 TallinnTel: 667 0099 (tööpäeviti 9–17)
Rain Väät
Rain VäätVastutav väljaandjaTel: 667 0044
Madis Aesma
Madis AesmaToimetajaTel:
Kairi Kalmann
Kairi KalmannDisainerTel:
Piret Pihlak
Piret PihlakKeeletoimetajaTel:
Sirle Kübar
Sirle KübarReklaamimüügi projektijuhtTel: 56845555