DUA JAM, DUA NEGARA, SATU DETAK

Jam atom optik kini mencapai ketidakpastian relatif 10⁻¹⁸ dan lebih kecil lagi — setara dengan satu detik yang hilang dalam tiga puluh miliar tahun. Jam ini lebih unggul lebih dari seratus kali dibandingkan jam gelombang mikro sesium yang saat ini mendefinisikan detik, dan definisi ulang detik berdasarkan jam optik sedang dinantikan. Namun sebelum memilih standar baru, jam-jam itu harus diperiksa satu sama lain.

Mengapa dua jam yang identik

Membandingkan jam yang menggunakan transisi atom yang sama — lompatan antara dua tingkat energi atom, yang frekuensi cahayanya dihitung oleh jam — memberi uji yang jelas: rasio frekuensinya harus tepat satu. Kesepakatan seperti itu di bawah 10⁻¹⁷ hampir hanya pernah ditunjukkan antara sistem yang dibangun di dalam satu lembaga yang sama. Kampanye Eropa sebelumnya antara kedua jam yang sama ini gagal mencapai target 5 × 10⁻¹⁸ yang ditetapkan menjelang definisi ulang, karena kekurangan data. Dan perbandingan antara jam-jam lain yang dibangun secara terpisah mengungkap ketidaksesuaian yang jauh melampaui ketidakpastian yang dinyatakan — tanda adanya efek yang tak diperhitungkan siapa pun.

Satu ion, dua laboratorium

Kedua jam memerangkap satu ion iterbium-171 dan menyelidiki transisi yang sangat sempit, sebuah “oktupol listrik” yang keadaan tereksitasinya bertahan bertahun-tahun. Satu jam, NPL-E3Yb+3, berada di National Physical Laboratory di Teddington, Inggris. Yang lain, PTB-Yb1E3, berada di Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Braunschweig, Jerman. Keduanya berbeda dalam rancangan perangkap, laser yang distabilkan, dan cara meniadakan pergeseran yang ditimbulkan oleh cahaya penyelidik itu sendiri.

Keduanya dihubungkan melalui jaringan Eropa serat optik, yang distabilkan sehingga hampir tidak menambahkan pergeseran (drift) sendiri: 2.220 km, melalui tiga stasiun relai di Prancis — Laboratoire de Physique des Lasers di Villetaneuse, Laboratoire Temps Espace di Observatorium Paris, dan Universitas Strasbourg. Antara 18 Maret dan 12 April 2025, tim mengumpulkan 12,6 hari data yang dapat dipakai; kedua jam dan sambungannya berjalan bersamaan 51% dari waktu itu.

Hasilnya

Rasio kedua frekuensi itu adalah 1,000 000 000 000 000 001 0, dengan ketidakpastian 48 pada digit terakhir: selisih 1,0 × 10⁻¹⁸ ± 4,8 × 10⁻¹⁸, sesuai dengan nol. Sejauh pengetahuan para penulis, ini adalah perbandingan jam internasional pertama di bawah 5 × 10⁻¹⁸.

Anggaran galatnya, dalam satuan 10⁻¹⁸ (galat-galat yang saling bebas sebagian saling meniadakan: semuanya digabung sebagai akar kuadrat dari jumlah kuadratnya, itulah sebabnya totalnya 4,8, bukan 8,8):

• jam itu sendiri: 2,8, dengan efek terbesar berupa panas yang dipancarkan lingkungan sekitarnya pada suhu ruang;
• sambungan serat optik internasional: 0,9;
• statistik: 1,6;
• pergeseran merah relativistik antara kedua lokasi — makin tinggi posisi sebuah jam dalam medan gravitasi Bumi, makin cepat detaknya, sekitar 1 × 10⁻¹⁸ per sentimeter —, termasuk tarikan pasang surut yang berubah-ubah: 3,5 — suku tunggal terbesar.

Koreksi terakhir itu bergantung pada posisi tiap jam dalam potensial gravitasi Bumi. Ketidakpastiannya setara dengan sedikit lebih dari 3 sentimeter selisih ketinggian antara kedua jam.

Uji relativitas sebagai bonus

Kedua lokasi berjauhan, dan rotasi Bumi terus memutar garis di antara keduanya. Jika kecepatan cahaya bergantung pada arah — pelanggaran terhadap apa yang disebut fisikawan invariansi Lorentz —, rasio frekuensinya akan berayun setiap hari sideris — satu putaran Bumi relatif terhadap bintang-bintang, 23 jam 56 menit. Sinyal seperti itu tidak muncul. Parameter yang mengukur kebergantungan pada arah itu kini dibatasi sekitar lima kali lebih ketat daripada sebelumnya. Omong-omong, tanpa koreksi pasang surut, muncul ayunan palsu yang cukup kuat untuk dikira petunjuk adanya sinyal (2,6 simpangan baku).

Data itu juga mengungkap bahwa serat optik menambah derau: sebarannya 24% lebih lebar pada siang hari daripada malam hari, sejalan dengan gangguan lingkungan di sepanjang sambungan.

Kini sentimeter menjadi penting

Karena gravitasi mendominasi galat, para penulis menulis bahwa perbandingan yang lebih baik lagi akan memerlukan pengetahuan yang lebih baik tentang potensial gravitasi di tiap lokasi — atau jam yang dapat diangkut ke lokasi lain tanpa kehilangan kinerjanya.