రెండు గడియారాలు, రెండు దేశాలు, ఒకే స్పందన

ఆప్టికల్ పరమాణు గడియారాలు ఇప్పుడు 10⁻¹⁸, అంతకంటే తక్కువ సాపేక్ష అనిశ్చితిని చేరుకుంటున్నాయి — ముప్పై బిలియన్ సంవత్సరాలలో ఒక సెకను మాత్రమే తప్పిపోవడానికి సమానం. ఈ రోజు సెకనును నిర్వచిస్తున్న సీసియం మైక్రోవేవ్ గడియారాల కంటే ఇవి వంద రెట్లకు పైగా మెరుగ్గా పనిచేస్తాయి, ఆప్టికల్ గడియారాల ఆధారంగా సెకనును పునర్నిర్వచించడం ఆశించబడుతోంది. అయితే కొత్త ప్రమాణాన్ని ఎంచుకునే ముందు, గడియారాలను ఒకదానితో ఒకటి సరిచూడాలి.

రెండు ఒకేలాంటి గడియారాలు ఎందుకు

ఒకే పరమాణు సంక్రమణాన్ని (atomic transition) — పరమాణువు యొక్క రెండు శక్తి స్థాయిల మధ్య దూకు, దాని కాంతి పౌనఃపున్యాన్నే గడియారం లెక్కిస్తుంది — ఉపయోగించే గడియారాలను పోల్చడం స్పష్టమైన పరీక్షను ఇస్తుంది: వాటి పౌనఃపున్య నిష్పత్తి సరిగ్గా ఒకటి అయి ఉండాలి. ఇలాంటి 10⁻¹⁷ కంటే తక్కువ ఏకీభావం ఇప్పటివరకు దాదాపుగా ఒకే సంస్థలో నిర్మించిన వ్యవస్థల మధ్య మాత్రమే చూపబడింది. ఇవే రెండు గడియారాల మధ్య జరిగిన ఒక పూర్వపు యూరోపియన్ ప్రచారం, తగినంత డేటా లేక, పునర్నిర్వచనానికి ముందు నిర్దేశించిన 5 × 10⁻¹⁸ లక్ష్యాన్ని అందుకోలేకపోయింది. స్వతంత్రంగా నిర్మించిన ఇతర గడియారాల మధ్య పోలికలు, వాటి ప్రకటిత అనిశ్చితులను మించిన విభేదాలను బయటపెట్టాయి — ఎవరూ లెక్కలోకి తీసుకోని ప్రభావాలు ఉన్నాయనడానికి ఇది సూచన.

ఒక అయాన్, రెండు ప్రయోగశాలలు

రెండు గడియారాలూ ఒకే ఒక ఇటర్బియం-171 అయాన్‌ను ఉచ్చులో పట్టి, అత్యంత ఇరుకైన ఒక సంక్రమణాన్ని పరిశీలిస్తాయి — ఉత్తేజిత స్థితి ఏళ్ల తరబడి నిలిచే ఒక “విద్యుత్ అష్టధ్రువ” (electric octupole) సంక్రమణం. ఒక గడియారం, NPL-E3Yb+3, యునైటెడ్ కింగ్‌డమ్‌లోని టెడింగ్టన్‌లో ఉన్న నేషనల్ ఫిజికల్ లాబొరేటరీలో ఉంది. మరొకటి, PTB-Yb1E3, జర్మనీలోని బ్రౌన్‌ష్వైగ్‌లో ఉన్న Physikalisch-Technische Bundesanstalt‌లో ఉంది. వాటి ఉచ్చు రూపకల్పన, స్థిరీకరించిన లేజర్లు, పరిశీలించే కాంతే కలిగించే విచలనాన్ని రద్దు చేసే పద్ధతి — వీటిలో అవి భిన్నంగా ఉంటాయి.

వాటిని ఆప్టికల్ ఫైబర్‌ల యూరోపియన్ నెట్‌వర్క్ ద్వారా కలిపారు, ఈ ఫైబర్‌లు తమంతట తాము దాదాపు ఏ విచలనాన్నీ జోడించకుండా స్థిరీకరించబడ్డాయి: 2,220 కి.మీ., ఫ్రాన్స్‌లోని మూడు రిలే కేంద్రాల ద్వారా — విల్‌తనూజ్‌లోని Laboratoire de Physique des Lasers, పారిస్ వేధశాలలోని Laboratoire Temps Espace, స్ట్రాస్‌బర్గ్ విశ్వవిద్యాలయం. 2025 మార్చి 18 నుంచి ఏప్రిల్ 12 వరకు, బృందం ఉపయోగపడే 12.6 రోజుల డేటాను సేకరించింది; రెండు గడియారాలు, లింకు కలిసి 51% సమయం నడిచాయి.

ఫలితం

రెండు పౌనఃపున్యాల నిష్పత్తి 1.000 000 000 000 000 001 0 గా వచ్చింది, చివరి అంకెల్లో 48 అనిశ్చితితో: అంటే 1.0 × 10⁻¹⁸ ± 4.8 × 10⁻¹⁸ తేడా, ఇది సున్నాతో పొసగుతుంది. రచయితలకు తెలిసినంతవరకు, ఇది 5 × 10⁻¹⁸ కంటే తక్కువకు చేరిన మొదటి అంతర్జాతీయ గడియార పోలిక.

దోషాల లెక్క, 10⁻¹⁸ యూనిట్లలో (స్వతంత్ర దోషాలు పాక్షికంగా ఒకదాన్నొకటి రద్దు చేసుకుంటాయి: అవి వాటి వర్గాల మొత్తానికి వర్గమూలంగా కలుస్తాయి, అందుకే మొత్తం 8.8 కాదు, 4.8):

• గడియారాలే: 2.8, వీటిలో అతిపెద్ద ప్రభావం గది ఉష్ణోగ్రతలో ఉన్న పరిసరాల నుంచి వెలువడే ఉష్ణ వికిరణం;
• అంతర్జాతీయ ఫైబర్ లింకు: 0.9;
• గణాంకాలు: 1.6;
• రెండు ప్రదేశాల మధ్య సాపేక్ష రెడ్‌షిఫ్ట్ (relativistic redshift) — భూమి గురుత్వ క్షేత్రంలో గడియారం ఎంత ఎత్తులో ఉంటే అంత వేగంగా టిక్కుమంటుంది, సెంటీమీటరుకు సుమారు 1 × 10⁻¹⁸ —, ఆటుపోట్ల మారుతున్న ఆకర్షణతో సహా: 3.5 — ఒక్క పదంగా అతిపెద్దది.

ఈ చివరి సవరణ భూమి గురుత్వ పొటెన్షియల్‌లో ప్రతి గడియారం స్థానంపై ఆధారపడుతుంది. దాని అనిశ్చితి రెండు గడియారాల మధ్య 3 సెంటీమీటర్ల కంటే కొంచెం ఎక్కువ ఎత్తు తేడాకు సమానం.

పక్కన సాపేక్షతకు ఒక పరీక్ష

రెండు ప్రదేశాలు చాలా దూరంగా ఉన్నాయి, భూమి భ్రమణం వాటి మధ్య రేఖను నిరంతరం తిప్పుతూ ఉంటుంది. కాంతి వేగం దిశపై ఆధారపడి ఉంటే — భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు లోరెంజ్ అవికారిత్వం (Lorentz invariance) అని పిలిచే దాని ఉల్లంఘన — పౌనఃపున్య నిష్పత్తి ప్రతి నక్షత్ర దినంతో — నక్షత్రాలతో పోలిస్తే భూమి ఒక్కసారి తిరిగే కాలం, 23 గం. 56 ని. — ఊగిసలాడేది. అలాంటి సంకేతం కనిపించలేదు. ఆ దిశాధారాన్ని కొలిచే పరామితిపై ఇంతకుముందు కంటే సుమారు ఐదు రెట్లు కఠినమైన పరిమితి వచ్చింది. అన్నట్టు, ఆటుపోట్ల సవరణ లేకుండా, ఒక సంకేతపు ఆనవాలుగా పొరబడేంత బలమైన తప్పుడు ఊగిసలాట కనిపించింది (2.6 ప్రామాణిక విచలనాలు).

ఫైబర్ శబ్దాన్ని జోడిస్తుందని కూడా డేటా వెల్లడించింది: రాత్రి కంటే పగటిపూట చెదురు 24% ఎక్కువగా ఉంది, ఇది లింకు వెంబడి పర్యావరణ అలజడులతో పొసగుతుంది.

ఇప్పుడు సెంటీమీటర్లు ముఖ్యం

దోషంలో గురుత్వాకర్షణే ప్రధానంగా ఉన్నందున, ఇంకా మెరుగైన పోలికలకు ప్రతి ప్రదేశంలో గురుత్వ పొటెన్షియల్ గురించి మెరుగైన జ్ఞానం అవసరమని రచయితలు రాశారు — లేదా పనితీరు కోల్పోకుండా మరో ప్రదేశానికి తీసుకెళ్లగల గడియారం.