இரண்டு கடிகாரங்கள், இரண்டு நாடுகள், ஒரே துடிப்பு

ஒளியியல் அணுக் கடிகாரங்கள் இப்போது 10⁻¹⁸ மற்றும் அதற்குக் கீழான பின்ன நிச்சயமின்மைகளை எட்டுகின்றன — முப்பது பில்லியன் ஆண்டுகளில் ஒரு வினாடி மட்டுமே தவறுவதற்குச் சமம். இன்று வினாடியை வரையறுக்கும் சீசியம் நுண்ணலைக் கடிகாரங்களை அவை நூறு மடங்குக்கும் மேல் விஞ்சுகின்றன; ஒளியியல் கடிகாரங்களை அடிப்படையாகக் கொண்ட வினாடியின் மறுவரையறை எதிர்பார்க்கப்படுகிறது. ஆனால் புதிய தரநிலையைத் தேர்ந்தெடுப்பதற்கு முன், கடிகாரங்கள் ஒன்றுக்கொன்று எதிராகச் சரிபார்க்கப்பட வேண்டும்.

ஏன் இரண்டு ஒரே மாதிரியான கடிகாரங்கள்

ஒரே அணு நிலைமாற்றத்தை — அணுவின் இரண்டு ஆற்றல் மட்டங்களுக்கு இடையிலான தாவல்; அதன் ஒளி அதிர்வெண்ணைத்தான் கடிகாரம் எண்ணுகிறது — பயன்படுத்தும் கடிகாரங்களை ஒப்பிடுவது தெளிவான சோதனையைத் தருகிறது: அவற்றின் அதிர்வெண் விகிதம் சரியாக ஒன்றாக இருக்க வேண்டும். இத்தகைய ஒத்திசைவு 10⁻¹⁷-க்குக் கீழ் ஏறக்குறைய ஒரே நிறுவனத்துக்குள் கட்டப்பட்ட அமைப்புகளுக்கு இடையே மட்டுமே காட்டப்பட்டிருந்தது. இதே இரண்டு கடிகாரங்களுக்கு இடையிலான முந்தைய ஐரோப்பியப் பரிசோதனைத் தொடர், தரவுப் பற்றாக்குறையால், மறுவரையறைக்கு முன் நிர்ணயிக்கப்பட்ட 5 × 10⁻¹⁸ இலக்கை எட்டவில்லை. தனித்தனியாகக் கட்டப்பட்ட மற்ற கடிகாரங்களுக்கு இடையிலான ஒப்பீடுகள், அவற்றின் அறிவிக்கப்பட்ட நிச்சயமின்மைகளைவிட மிக அதிகமான முரண்பாடுகளை வெளிப்படுத்தியுள்ளன — யாரும் கணக்கில் எடுக்காத விளைவுகளின் அறிகுறி.

ஒரு அயனி, இரண்டு ஆய்வகங்கள்

இரண்டு கடிகாரங்களும் ஒற்றை யிட்டர்பியம்-171 அயனியைச் சிறைப்படுத்தி, மிக மிகக் குறுகலான ஒரு நிலைமாற்றத்தை ஆய்கின்றன — கிளர்ந்த நிலை பல ஆண்டுகள் நீடிக்கும் ஒரு “மின் எண்முனையம்” (electric octupole). ஒரு கடிகாரமான NPL-E3Yb+3, ஐக்கிய இராச்சியத்தின் டெடிங்டனில் உள்ள தேசிய இயற்பியல் ஆய்வகத்தில் (National Physical Laboratory) உள்ளது. மற்றொன்றான PTB-Yb1E3, ஜெர்மனியின் பிரவுன்ஷ்வைக்கில் உள்ள Physikalisch-Technische Bundesanstalt-இல் உள்ளது. அவை பொறி வடிவமைப்பு, நிலைப்படுத்தப்பட்ட லேசர்கள், ஆய்வு ஒளியே ஏற்படுத்தும் இடப்பெயர்ச்சியை நீக்கும் முறை ஆகியவற்றில் வேறுபடுகின்றன.

அவை, தாமாக ஏறக்குறைய எந்த விலகலையும் (drift) சேர்க்காதபடி நிலைப்படுத்தப்பட்ட ஒளியிழைகளின் ஐரோப்பிய வலையமைப்பு மூலம் இணைக்கப்பட்டன: 2,220 கிமீ, பிரான்சில் உள்ள மூன்று அஞ்சல் நிலையங்கள் வழியாக — வில்லெத்தனூஸில் உள்ள லேசர் இயற்பியல் ஆய்வகம், பாரிஸ் வானாய்வகத்தில் உள்ள Laboratoire Temps Espace, ஸ்ட்ராஸ்பர்க் பல்கலைக்கழகம். 2025 மார்ச் 18 முதல் ஏப்ரல் 12 வரை, குழு 12.6 நாள்கள் பயன்படுத்தக்கூடிய தரவைச் சேகரித்தது; இரு கடிகாரங்களும் இணைப்பும் 51% நேரம் ஒன்றாக இயங்கின.

முடிவு

இரண்டு அதிர்வெண்களின் விகிதம் 1.000 000 000 000 000 001 0 என வந்தது, கடைசி இலக்கங்களில் 48 நிச்சயமின்மையுடன்: 1.0 × 10⁻¹⁸ ± 4.8 × 10⁻¹⁸ வேறுபாடு, பூஜ்யத்துடன் இணக்கமானது. ஆசிரியர்கள் அறிந்தவரை, இது 5 × 10⁻¹⁸-க்குக் கீழான முதல் சர்வதேசக் கடிகார ஒப்பீடு.

பிழை வரவுசெலவு, 10⁻¹⁸ அலகுகளில் (சார்பற்ற பிழைகள் ஓரளவு ஒன்றையொன்று ஈடுசெய்கின்றன: அவை தம் வர்க்கங்களின் கூட்டுத்தொகையின் வர்க்கமூலமாகச் சேர்கின்றன; அதனால்தான் மொத்தம் 8.8 அல்ல, 4.8):

• கடிகாரங்கள் தாமே: 2.8 — மிகப் பெரிய விளைவு, அறை வெப்பநிலையில் உள்ள சுற்றுப்புறங்கள் கதிர்வீசும் வெப்பம்;
• சர்வதேச ஒளியிழை இணைப்பு: 0.9;
• புள்ளியியல்: 1.6;
• இரண்டு தளங்களுக்கு இடையிலான சார்பியல் செம்பெயர்ச்சி (redshift) — ஒரு கடிகாரம் பூமியின் ஈர்ப்புப் புலத்தில் எவ்வளவு உயரே இருக்கிறதோ அவ்வளவு வேகமாகத் துடிக்கிறது, சென்டிமீட்டருக்குச் சுமார் 1 × 10⁻¹⁸ —, ஓதங்களின் மாறும் இழுவை உட்பட: 3.5 — மிகப் பெரிய தனி உறுப்பு.

அந்தக் கடைசித் திருத்தம் பூமியின் ஈர்ப்பு அழுத்தத்தில் (gravity potential) ஒவ்வொரு கடிகாரத்தின் நிலையைப் பொறுத்தது. அதன் நிச்சயமின்மை, இரு கடிகாரங்களுக்கு இடையே 3 சென்டிமீட்டருக்குச் சற்று அதிகமான உயர வேறுபாட்டுக்குச் சமம்.

பக்கவாட்டில் ஒரு சார்பியல் சோதனை

இரண்டு தளங்களும் வெகு தொலைவில் உள்ளன; பூமியின் சுழற்சி அவற்றுக்கு இடையிலான கோட்டைத் தொடர்ந்து திருப்புகிறது. ஒளியின் வேகம் திசையைப் பொறுத்ததாக இருந்தால் — இயற்பியலாளர்கள் லோரன்ட்ஸ் மாறாமை (Lorentz invariance) என்று அழைப்பதன் மீறல் — அதிர்வெண் விகிதம் ஒவ்வொரு விண்மீன் நாளுடனும் (sidereal day) — விண்மீன்களைப் பொறுத்துப் பூமியின் ஒரு சுழற்சி, 23 மணி 56 நிமிடம் — ஊசலாடும். அத்தகைய சமிக்ஞை எதுவும் தோன்றவில்லை. அந்தத் திசைச் சார்பை அளக்கும் அளவுரு முன்பைவிடச் சுமார் ஐந்து மடங்கு இறுக்கமாகக் கட்டுப்படுத்தப்பட்டுள்ளது. சொல்லப்போனால், ஓதத் திருத்தம் இல்லாமல், ஒரு சமிக்ஞையின் அறிகுறி என்று கருதும் அளவுக்கு வலுவான போலி ஊசலாட்டம் ஒன்று தோன்றியது (2.6 திட்ட விலக்கங்கள்).

ஒளியிழை இரைச்சலைச் சேர்க்கிறது என்பதையும் தரவு வெளிப்படுத்தியது: பகலில் சிதறல் இரவைவிட 24% அகலமாக இருந்தது — இணைப்பின் வழியே உள்ள சுற்றுச்சூழல் இடையூறுகளுடன் இணக்கமானது.

இப்போது சென்டிமீட்டர்கள் முக்கியம்

ஈர்ப்பு பிழையில் ஆதிக்கம் செலுத்தியதால், இன்னும் சிறந்த ஒப்பீடுகளுக்கு ஒவ்வொரு தளத்திலும் ஈர்ப்பு அழுத்தம் பற்றிய சிறந்த அறிவு தேவைப்படும் என்று ஆசிரியர்கள் எழுதுகின்றனர் — அல்லது செயல்திறனை இழக்காமல் மற்ற தளத்துக்குக் கொண்டுசெல்லக்கூடிய ஒரு கடிகாரம்.