SAA ZINAZOHISI KUJAA NA KUPWA KATIKA WAKATI WENYEWE

Mvuto huathiri mwendo wa wakati, kama nadharia ya jumla ya uhusianifu inavyoeleza. Duniani, kasi ya saa hubadilika kwa takriban sehemu moja katika 10¹⁶ kwa kila mita ya kimo. Kwa hiyo, kulinganisha saa zilizo mbali kunaweza kupima moja kwa moja tofauti za uwezo wa mvuto wa Dunia (gravity potential; kwa ujumla, kina cha mahali ndani ya mvuto wa Dunia, ambacho hufuata zaidi kimo) — mbinu inayoitwa upimaji kimo kwa saa (chronometric levelling). Hadi sasa, majaribio yameitumia kwa tofauti zisizobadilika, kama tofauti ya kimo kati ya maabara mbili, yakifikia kutokuwa na uhakika kwa sentimita chache.

Ishara ambayo kila mtu anaweza kuitabiri

Hata hivyo, mvuto Duniani haubaki palepale. Mvuto wa Mwezi na Jua hubadilika katika kipindi cha siku, Dunia ngumu yenyewe hubadilika umbo kujibu, na kujaa na kupwa kwa bahari huibebesha ardhi uzito. Kwa pamoja, haya hubadilisha kasi ya saa kwa hadi 5 × 10⁻¹⁷ mahali popote, kwa midundo ya takriban mzunguko mmoja na miwili kwa siku.

Kile ambacho saa mbili hulinganisha ni tofauti kati ya maeneo yao. Vituo vilivyotenganishwa kwa longitudo huhisi mawimbi ya kujaa na kupwa (tides) kwa nyakati tofauti; vituo vilivyotenganishwa kwa latitudo huyahisi kwa nguvu tofauti. Katika upana wa bara, tofauti hiyo huyumba kwa sehemu chache katika 10¹⁸. Ili kuifuatilia, ulinganisho wa saa lazima uwe thabiti hadi takriban 1 × 10⁻¹⁸ ndani ya saa chache. Saa za macho zilikuwa hazijawahi kubainisha ishara inayobadilika kwa wakati kama hiyo.

Saa kote Ulaya

Ushirikiano wa watafiti 44, wenye Sören Dörscher wa Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) huko Braunschweig, Ujerumani, na Ian Hill wa National Physical Laboratory (NPL) huko Teddington, Uingereza, kama waandishi wa mawasiliano (corresponding authors), ulitumia saa za macho za kimiani (optical lattice clocks), ambamo atomi za strontiamu au iterbiamu hushikiliwa katika gridi ya mwanga wa leza. Zimeunganishwa kupitia mtandao wa Ulaya wa nyuzi za macho zilizoimarishwa awamu (phase-stabilised), wenye Paris kama kitovu chake.

Jozi mbili za saa zilifanya kazi kuu, kila moja ikiwa na umbali wa takriban kilomita 800:

Turin na Braunschweig (takriban km 840), Machi 2025. Hapa, PTB ilituma saa yake inayobebeka PTB-Sr4 kwa Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) ya Italia kama kihisi cha mbali, na kuilinganisha na saa yake ya maabara PTB-Sr3. Maeneo hayo yanatofautiana hasa kwa latitudo (takriban 7°), kwa hiyo mawimbi huyafikia kwa nguvu tofauti.
Teddington na Braunschweig (takriban km 740), Machi 2023, kwa saa ya NPL, NPL-Sr1. Yakiwa karibu kwenye latitudo ileile lakini yametengana kwa 11° za longitudo, maeneo haya huhisi mawimbi yaleyale kwa nyakati tofauti.

Modeli ya mawimbi ilitabiri tofauti kati ya maeneo hadi 5 × 10⁻¹⁸ kutoka kilele hadi bonde — sehemu chache kwa bilioni bilioni. Jozi zote mbili zilifikia uthabiti uliohitajika, kutokana na kaviti za leza zilizo thabiti mno (ultrastable laser cavities), ikiwemo moja inayobebeka yenye urefu wa sentimita 20.

Kutazama wakati ukipanda na kushuka

Kwa wastani wa saa tatu, uwiano wa kasi za mdundo (masafa) za saa mbili katika kila jozi ulipanda na kushuka kama mawimbi yaliyotabiriwa. Uchambuzi wa spektra uliliweka wazi zaidi: ulinganisho wote miwili ulionyesha mdundo imara wa mara mbili kwa siku, ambao ulikaribia kutoweka kabisa baada ya utabiri kutolewa — ikionyesha kwamba ukubwa na muda vyote vililingana. Jozi ya Teddington–Braunschweig pia ilionyesha mdundo wa mara moja kwa siku ambao jiometri yake inatabiri; jozi ya Turin–Braunschweig, kama ilivyotarajiwa, haikuonyesha.

Kichujio cha Kalman (Kalman filter), kanuni ya ufuatiliaji ambayo ingeweza kufanya kazi kwenye data ya moja kwa moja, kisha kilipima jinsi ishara iliyoonekana ilivyokuwa na nguvu ukilinganisha na modeli, ambapo 1 inamaanisha ulinganifu kamili. Kwa takriban wiki moja kila moja, kilipata 1.42 ± 0.35 kwa Turin na 1.12 ± 0.24 kwa Teddington — zote zikiwa zaidi ya mikengeuko sanifu minne mbali na sifuri. Siku moja moja tayari zililingana na utabiri: mawimbi yalibainishwa kwa chini ya siku moja ya vipimo. Ikijumuisha jozi nyingine za saa huko Paris, Turin na Teddington, wastani uliopimwa ulifikia 1.00 ± 0.12.

Kama ukaguzi, timu iliendesha uchambuzi uleule kwenye saa mbili zilizokaa kando kwa kando huko Turin, ambapo tofauti ya mawimbi ni takriban 10⁻²², huku ikiambia kichujio kutafuta mawimbi kati ya maeneo mawili yaliyo mbali. Kilipata thamani zinazoendana na sifuri, kama inavyopaswa.

Waandishi wanakadiria kwamba athari hiyo inalingana na mabadiliko ya kimo ya kiwango cha sentimita 10 katika kila kituo, mara moja au mbili kwa siku.

Kutoka kujaa na kupwa hadi volkano

Kwa wataalamu wa vipimo (metrologists), funzo ni la kivitendo: mawimbi ya kujaa na kupwa ni upendeleo halisi unaotabirika katika ulinganisho wa saa wa umbali mrefu, na wastani wa kampeni ya vipimo unaweza kutofautiana na wastani wa muda mrefu. Lazima yawekwe katika modeli kadiri saa zinavyolenga 10⁻¹⁸ na zaidi.

Kwa wanasayansi wa Dunia, saa inayobebeka ndiyo muhimu zaidi. Ilifanya kazi vizuri kama saa za maabara zisizohamishika, kwa hiyo saa zingeweza kupelekwa kwenye maeneo yaliyochaguliwa kwa umuhimu wao wa kijiofizikia, popote nyuzi za macho zinapofika. Mitandao ya saa kisha ingeweza kufuatilia mgawanyiko mpya wa polepole wa maji ya chini ya ardhi, barafu, bahari na hewa, au chemba ya magma ikijaa chini ya volkano, na kukagua misheni za setilaiti za kupima mvuto, zinazochukua sampuli kila mwezi, kwa vipimo vya kila siku hadi kila wiki ardhini.

Mtandao unaendelea kukua: kiungo kipya hadi Toruń nchini Poland kimepanua nafasi pana zaidi ya mashariki–magharibi kutoka 11° hadi takriban 19°, na viungo hadi Ubelgiji na Uholanzi vimepangwa. Kwa vituo vilivyo kwenye latitudo ileile, ishara ya mawimbi ya mara mbili kwa siku hufikia kilele vikiwa vimetengana kwa 90° za longitudo — nafasi ambayo ni viungo vya kuvuka bahari tu vingeweza kuifikia. Kwa sasa, mawimbi yanatumika kama jaribio: badiliko la mvuto ambalo kila mtu anaweza kulikokotoa mapema, ili baadaye saa ziweze kuaminiwa kwa mabadiliko yasiyotabirika kwa urahisi.