Czas płynie… ale czy zawsze potrafimy go zmierzyć? Dla naszych codziennych potrzeb wystarczy zegarek, stoper czy wahadło. Ale gdy schodzimy do poziomu cząstek subatomowych, czas staje się… nieuchwytny. Teraz naukowcy z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji odkryli zupełnie nowy sposób mierzenia czasu – taki, który nie wymaga punktu startowego, zegara ani nawet porównania „wtedy” i „teraz”.
To może być przełom nie tylko w fizyce kwantowej, ale też w inżynierii komputerów przyszłości i urządzeń ultradokładnych.
Co to znaczy mierzyć czas bez zegara?
Tradycyjnie, pomiar czasu polega na zarejestrowaniu momentu początkowego i końcowego, a następnie odliczeniu sekund między nimi. Proste – dopóki nie wkroczymy do świata mechaniki kwantowej, gdzie cząstki zachowują się bardziej jak mgła niż piłki ping-pongowe.
W tej skali rzeczy nie da się dokładnie określić, kiedy coś się zaczęło, a tym bardziej – z jaką precyzją trwa. W takich warunkach klasyczny pomiar czasu zawodzi.
Sekret tkwi w stanach Rydberga
Kluczem do nowego pomiaru czasu są tzw. atomy Rydberga – to atomy, których elektrony zostały wzbudzone do bardzo wysokich stanów energetycznych. Ich zachowanie przypomina kulkę ruletki: chaotyczne, losowe, ale jednocześnie… możliwe do opisania matematycznie.
Gdy naukowcy wzbudzają wiele takich atomów laserem, tworzą się unikalne wzory fal zwane pakietami falowymi Rydberga. Te wzory interferują ze sobą – czyli nachodzą na siebie i tworzą charakterystyczne, powtarzalne struktury.
Te „odciski palców czasu” są jak znaki orientacyjne w podróży – nie musimy wiedzieć, skąd ruszyliśmy. Wystarczy spojrzeć, gdzie jesteśmy, i już wiemy, ile czasu minęło.
Nowy pomiar czasu – jak to działa?
Fizycy z Uppsali wzbudzali atomy helu i obserwowali zmiany w ich strukturze falowej. Te zmiany odpowiadają konkretnym momentom w czasie – np. 1,7 bilionowej sekundy po impulsie.
Zamiast mierzyć czas między „startem” a „końcem”, naukowcy analizowali strukturę fali, aby stwierdzić, ile czasu upłynęło. To tak, jakbyśmy widząc falę na wodzie, wiedzieli dokładnie, kiedy została wywołana – bez patrzenia na zegarek.
Co daje ten kwantowy pomiar czasu?
Nie potrzeba punktu startowego – idealne w skali atomowej, gdzie „start” bywa nieuchwytny.
Niesamowita precyzja – możliwe jest zmierzenie zdarzeń trwających zaledwie 1,7 bilionowej części sekundy.
Zastosowanie w technologii – w przyszłości może posłużyć do kalibracji urządzeń elektronicznych, komputerów kwantowych, a nawet nowoczesnej medycyny.
„Nie musimy uruchamiać zegara – wystarczy spojrzeć na interferencję fal i odczytać znacznik czasu” – mówi Marta Berholts, fizyk z Uniwersytetu w Uppsali.
Co dalej?
Przyszłe eksperymenty mogą obejmować inne atomy niż hel i różne długości fal lasera, co pozwoli stworzyć szeroki katalog znaczników czasu dostosowanych do różnych zastosowań.
Technologia ta może zrewolucjonizować:
- komputery kwantowe,
- mikroskopię molekularną,
- badania nad reakcjami chemicznymi i biologicznymi w czasie rzeczywistym,
- a nawet nowe metody synchronizacji w sieciach telekomunikacyjnych.
Podsumowanie
⏱️ Czas to nie tylko tykanie zegara – to struktura, którą można „zobaczyć” w mikroświecie fal kwantowych. Dzięki badaniom nad stanami Rydberga fizycy z Uppsali pokazali, że można mierzyć czas bez początku i końca – z niespotykaną dotąd precyzją.
Być może już wkrótce nowy sposób rozumienia czasu otworzy przed nami nowe drzwi w nauce, technologii i naszej percepcji rzeczywistości.