JAM YANG MERASAKAN PASANG SURUT DALAM WAKTU ITU SENDIRI

Gravitasi memengaruhi berlalunya waktu, seperti yang dijelaskan oleh relativitas umum. Di Bumi, laju sebuah jam berubah sekitar satu bagian dalam 10¹⁶ untuk setiap meter ketinggian. Karena itu, membandingkan jam-jam yang berjauhan dapat mengukur secara langsung perbedaan potensial gravitasi Bumi (secara kasar, seberapa dalam suatu tempat berada di dalam gravitasi Bumi, yang sebagian besar mengikuti ketinggian) — teknik yang disebut pendataran kronometrik (chronometric levelling). Hingga kini, eksperimen menggunakannya untuk perbedaan yang tetap, seperti selisih ketinggian antara dua laboratorium, dengan ketidakpastian beberapa sentimeter.

Sinyal yang dapat diprediksi semua orang

Namun, gravitasi di Bumi tidaklah tetap. Tarikan Bulan dan Matahari berubah sepanjang hari, Bumi padat berubah bentuk sebagai tanggapan, dan pasang surut samudra membebani tanah. Bersama-sama, semua itu menggeser laju jam hingga 5 × 10⁻¹⁷ di satu tempat mana pun, dengan irama sekitar satu dan dua siklus per hari.

Yang dibandingkan oleh dua jam adalah perbedaan antara lokasi keduanya. Stasiun yang terpisah dalam garis bujur merasakan pasang surut pada waktu yang berbeda; stasiun yang terpisah dalam garis lintang merasakannya dengan kekuatan yang berbeda. Melintasi sebuah benua, selisih itu berayun sebesar beberapa bagian dalam 10¹⁸. Untuk mengikutinya, perbandingan jam harus stabil hingga sekitar 1 × 10⁻¹⁸ dalam beberapa jam. Jam optik belum pernah mengurai sinyal yang berubah terhadap waktu seperti itu.

Jam-jam di seluruh Eropa

Sebuah kolaborasi 44 peneliti, dengan Sören Dörscher dari Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Braunschweig, Jerman, dan Ian Hill dari National Physical Laboratory (NPL) di Teddington, Inggris, sebagai penulis korespondensi, menggunakan jam kisi optik (optical lattice clock), yang di dalamnya atom stronsium atau iterbium ditahan dalam sebuah kisi cahaya laser. Jam-jam itu terhubung melalui jaringan Eropa serat optik yang distabilkan fasenya, dengan Paris sebagai simpulnya.

Dua pasang jam melakukan pekerjaan utama, masing-masing terpisah sekitar 800 kilometer:

Turin dan Braunschweig (sekitar 840 km), Maret 2025. Di sini, PTB mengirim jam yang dapat diangkut miliknya, PTB-Sr4, ke Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) di Italia sebagai sensor jarak jauh, dan membandingkannya dengan jam laboratoriumnya, PTB-Sr3. Kedua lokasi terutama berbeda dalam garis lintang (sekitar 7°), sehingga pasang surut mencapai keduanya dengan kekuatan yang berbeda.
Teddington dan Braunschweig (sekitar 740 km), Maret 2023, dengan jam NPL-Sr1 milik NPL. Pada garis lintang yang hampir sama tetapi terpisah 11° dalam garis bujur, kedua lokasi ini merasakan pasang surut yang sama pada waktu yang berbeda.

Model pasang surut memprediksi perbedaan antarlokasi hingga 5 × 10⁻¹⁸ dari puncak ke puncak — beberapa bagian dalam satu miliar miliar. Kedua pasangan mencapai stabilitas yang diperlukan, berkat rongga laser ultrastabil, termasuk satu rongga yang dapat diangkut sepanjang 20 sentimeter.

Menyaksikan waktu naik dan turun

Dirata-ratakan selama tiga jam, rasio laju detak (frekuensi) kedua jam dalam setiap pasangan naik dan turun seperti pasang surut yang diprediksi. Analisis spektral mempertajamnya: kedua perbandingan menunjukkan irama dua kali sehari yang kuat, yang nyaris lenyap setelah prediksi dikurangkan — menunjukkan bahwa amplitudo dan waktunya sama-sama cocok. Pasangan Teddington–Braunschweig juga menunjukkan irama sekali sehari yang diprediksi oleh geometrinya; pasangan Turin–Braunschweig, sesuai perkiraan, tidak.

Sebuah algoritma pelacakan yang disebut filter Kalman, yang dapat dijalankan pada data langsung, lalu mengukur seberapa kuat sinyal yang teramati dibandingkan dengan model, dengan 1 berarti kecocokan sempurna. Selama sekitar seminggu untuk masing-masing pasangan, filter itu menghasilkan 1,42 ± 0,35 untuk Turin dan 1,12 ± 0,24 untuk Teddington — keduanya lebih dari empat simpangan baku dari nol. Hari-hari tunggal pun sudah sesuai dengan prediksi: pasang surut terurai dalam kurang dari satu hari pengukuran. Dengan memasukkan pasangan jam lain di Paris, Turin, dan Teddington, rata-rata tertimbangnya mencapai 1,00 ± 0,12.

Sebagai pemeriksaan, tim menjalankan analisis yang sama pada dua jam yang berdampingan di Turin, tempat perbedaan pasang surutnya sekitar 10⁻²², sambil meminta filter mencari pasang surut antara dua lokasi yang berjauhan. Filter itu menemukan nilai yang sesuai dengan nol, sebagaimana mestinya.

Para penulis memperkirakan efek ini setara dengan perubahan ketinggian dalam orde 10 sentimeter di setiap stasiun, sekali atau dua kali sehari.

Dari pasang surut ke gunung api

Bagi para ahli metrologi, pelajarannya praktis: pasang surut adalah bias yang nyata dan dapat diprediksi dalam perbandingan jam jarak jauh, dan rata-rata selama satu kampanye pengukuran dapat berbeda dari rata-rata jangka panjang. Pasang surut harus dimodelkan seiring jam-jam membidik 10⁻¹⁸ dan lebih jauh lagi.

Bagi ilmuwan kebumian, jam yang dapat diangkut itulah yang paling penting. Kinerjanya sebaik jam laboratorium yang tetap, sehingga jam dapat dikirim ke lokasi yang dipilih karena nilai geofisikanya, di mana pun serat optik menjangkau. Jaringan jam kemudian dapat memantau redistribusi lambat air tanah, es, samudra, dan udara, atau dapur magma yang terisi di bawah gunung api, serta memeriksa misi satelit gravitasi, yang mengambil sampel bulanan, dengan pengukuran harian hingga mingguan di darat.

Jaringan itu terus tumbuh: sambungan baru ke Toruń di Polandia telah merentangkan jarak timur–barat terlebar dari 11° menjadi sekitar 19°, dan sambungan ke Belgia serta Belanda sedang direncanakan. Untuk stasiun pada garis lintang yang sama, sinyal pasang surut dua kali sehari mencapai puncaknya pada jarak 90° garis bujur — jarak yang hanya dapat dicapai oleh sambungan lintas samudra. Untuk saat ini, pasang surut berfungsi sebagai uji: perubahan gravitasi yang dapat dihitung semua orang sebelumnya, sehingga jam-jam itu kelak dapat dipercaya untuk perubahan yang kurang dapat diprediksi.