Bagaimanakah Atom Sesium Menentukan Satu Saat?

Jam mekanik menggunakan ayunan bandul atau roda imbangan, manakala jam kuarza menggunakan getaran kristal. Untuk piawai masa yang jauh lebih tepat, kita memerlukan sesuatu yang boleh menghasilkan rujukan frekuensi dengan kebolehulangan yang luar biasa. Fizik atom menyediakan rujukan itu, iaitu peralihan tertentu antara dua aras hiperhalus keadaan asas atom sesium-133, yang menjadi asas jam atom sesium.

Atom mempunyai keadaan tenaga tertentu

Atom bukan sistem yang boleh mempunyai sebarang tenaga sesuka hati. Mekanik kuantum menerangkan keadaan atom melalui aras tenaga yang dibenarkan. Dalam sesium-133, interaksi antara sifat magnet nukleus dengan elektron menghasilkan pemisahan kecil pada keadaan asas yang dikenali sebagai struktur hiperhalus, dan dua aras hiperhalus tertentu inilah yang digunakan untuk takrif saat.

Jika atom berinteraksi dengan gelombang mikro pada frekuensi yang sesuai, kebarangkalian atom bertukar antara dua keadaan itu meningkat. Frekuensi resonans inilah yang menjadi rujukan jam sesium, dan NIST menerangkan bahawa jam atom mengesan perubahan keadaan atom apabila frekuensi gelombang mikro ditala kepada resonans sesium. Kita tidak patut membayangkan dua keadaan ini sebagai elektron yang bergerak antara dua orbit planet kecil, kerana aras tenaga ialah penerangan keadaan kuantum dan bukan landasan fizikal yang dilalui elektron.

Mengapa tepat 9 192 631 770?

Angka itu bukan hasil jam moden yang sentiasa mengukur semula bilangan kitaran lalu memutuskan panjang satu saat. Sejak 1967, takrif saat dikaitkan dengan sesium-133, dan dalam rumusan SI semasa nilai angka frekuensi sesium ditetapkan tepat. Oleh sebab satu hertz bersamaan satu per saat, hubungan ini menetapkan skala unit saat. BIPM menyatakan bahawa satu saat bersamaan tempoh 9 192 631 770 kitaran sinaran yang sepadan dengan peralihan antara dua aras hiperhalus keadaan asas atom sesium-133 yang tidak terganggu. Angka tersebut kini menjadi sebahagian daripada takrif unit, bukan kuantiti yang mempunyai ketidakpastian pengukuran dalam takrif SI.

Adakah jam hanya mengira getaran atom?

Ungkapan itu berguna tetapi terlalu ringkas. Dalam jam pancutan sesium moden, sebuah pengayun elektronik menghasilkan gelombang mikro berhampiran frekuensi resonans sesium, dan atom digunakan untuk memeriksa sama ada frekuensi pengayun itu terlalu tinggi atau terlalu rendah. NIST menerangkan prosesnya: atom sesium disejukkan dengan laser sehingga gerakan termalnya sangat perlahan, kemudian awan atom dilontarkan ke atas melalui rongga gelombang mikro. Atom melaluinya sekali ketika naik dan sekali lagi ketika jatuh akibat graviti.

Interaksi kedua membantu menentukan seberapa hampir frekuensi gelombang mikro dengan resonans atom. Selepas itu, laser digunakan untuk mengesan keadaan atom melalui pendarfluor. Maklumat tersebut menjadi isyarat ralat yang digunakan untuk melaras pengayun gelombang mikro menuju resonans. Atom dengan itu berfungsi sebagai rujukan frekuensi, sementara sistem elektronik menghasilkan, melaras dan menghitung ayunan.

Mengapa atom disejukkan?

Atom sesium pada suhu bilik bergerak dengan pantas. Jika atom melintasi kawasan gelombang mikro terlalu cepat, masa interaksi menjadi pendek dan resonans lebih sukar ditentukan dengan tajam. Jam pancutan menggunakan penyejukan laser untuk menurunkan kelajuan termal atom kepada beberapa sentimeter sesaat. Atom yang perlahan boleh diperhatikan lebih lama, dan NIST menyatakan bahawa reka bentuk pancutan memberikan masa pemerhatian kira-kira satu saat, jauh lebih lama daripada beberapa milisaat bagi jam pancaran atom tradisional. Masa pemerhatian yang lebih panjang menghasilkan ciri resonans yang lebih sempit, lalu frekuensi pusatnya boleh dikenal pasti dengan lebih tepat.

Namun sejuk tidak menjadikan atom sempurna atau benar-benar pegun. Medan magnet, perlanggaran, radiasi haba, graviti dan pelbagai kesan lain masih boleh mengalih frekuensi yang diperhatikan, jadi makmal metrologi perlu mengukur atau membetulkan kesan sistematik tersebut.

Takrif tepat tidak bermaksud jam sempurna

Ini perbezaan yang penting. Takrif ialah nilai 9 192 631 770 Hz yang tepat dalam SI. Realisasi eksperimen pula ialah usaha jam sebenar untuk menghasilkan frekuensi yang sepadan dengan peralihan sesium yang tidak terganggu, dan peranti fizikal tetap mempunyai ketidakpastian. NIST melaporkan bahawa jam pancutan sesium di institut metrologi boleh merealisasikan takrif saat dengan ketidakpastian menghampiri 1 × 10⁻¹⁶. Pernyataan bahawa satu saat ditakrifkan tepat dan pernyataan bahawa jam sebenar mempunyai ketidakpastian dengan itu tidak bercanggah, kerana yang pertama ialah takrif unit dan yang kedua ialah had realisasi fizikalnya.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?