#030 · Atomic Fountain Clocks - 300 Million Year Accuracy

The most accurate clocks on Earth would take 300 million years to drift by a single second. They work by lobbing a handful of caesium atoms a metre into the air, cold as deep space, and listening to them ring on the way down.

In a windowless lab on the National Institute of Standards and Technology campus in Boulder, Colorado, a stainless-steel cylinder roughly the size of a refrigerator does almost nothing. Inside, in a hard vacuum, a cloud of caesium-133 atoms is cooled by six crossed laser beams to about one microkelvin — colder than interstellar space — and then nudged upward by a slight detuning of those same beams. The cloud rises about a metre, slows under gravity, stops, and falls back. On the way up and on the way down it passes through a copper microwave cavity humming at 9,192,631,770 cycles per second. The machine is called NIST-F2. If you had started it ticking at the extinction of the dinosaurs, it would now be off by roughly a second.

It is the present world champion at one of the oldest jobs in physics: telling you, more precisely than the last person could, what time it is.

The trick that makes the fountain work is patience. Every atomic clock measures the same thing — the fixed frequency at which electrons in a particular isotope flip between two hyperfine states. In caesium-133 that frequency is, by international decree, exactly 9,192,631,770 hertz. The problem with the older beam clocks of the 1950s and 60s was that the atoms streamed past the measurement region at a few hundred metres per second. You had milliseconds. The longer you can interrogate a wave, the more precisely you can pin down its frequency; that much is just Fourier analysis. A fountain stretches the interrogation to nearly a full second.

A tall atomic fountain clock stands in a precision laboratory Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Zacharias, Ramsey, and the cold cloud

The idea is older than the hardware. In 1953, an MIT physicist named Jerrold Zacharias proposed tossing thermal caesium atoms vertically so they would pass through a single microwave cavity twice, once rising and once falling. The geometry was an elegant application of a technique developed by his colleague Norman Ramsey, who in 1949 had shown that separating the two interrogation pulses in time gave you a far sharper resonance than one continuous pulse — a result that eventually won Ramsey a share of the 1989 Nobel Prize.

Zacharias's fountain failed. Thermal atoms, even slow ones, were too hot; the cloud expanded and the slowest atoms got knocked sideways by their faster neighbours before they could fall back through the cavity. The project was quietly dropped.

It took four more decades and a new technology to rescue it. In the 1980s, Steven Chu and others worked out how to use lasers to brake neutral atoms, hammering them with photons tuned just below resonance so that an atom moving toward the beam saw the light Doppler-shifted into absorption. By the late 80s you could cool a cloud of caesium to micro-kelvin temperatures and hold it almost stationary in a magneto-optical trap. In 1991, Christophe Salomon and André Clairon at the Paris Observatory's time-and-frequency laboratory built the first working laser-cooled caesium fountain. Zacharias's design, finally, with cold enough atoms.

A magneto-optical trap glows at the center of a glass vacuum cell Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What a second is

All of this matters because the second is no longer something the world agrees to measure. It is something the world has agreed to define. In 1967 the 13th General Conference on Weights and Measures threw out the old astronomical second — a fraction of the Earth's rotation, which is wobbly — and replaced it with a count. One second, the conference declared, is 9,192,631,770 oscillations of the radiation emitted when a caesium-133 atom transitions between the two hyperfine levels of its ground state, at rest, at zero magnetic field, at absolute zero.

That is now what a second is. There is no separate, truer second behind it that the clocks are approximating. The clocks are the second. When NIST-F2 and its peers around the world — SYRTE-FO2 in Paris, NPL-CsF2 in Teddington, PTB-CSF2 in Braunschweig — disagree by a few parts in 10^16, the international timekeepers in Paris average their outputs, weight them by stated uncertainty, and that weighted mean becomes Coordinated Universal Time. The Earth's rotation, the thing the second used to be made of, is now corrected against the clocks with the occasional leap second.

A cesium atom cloud rises through the vertical fountain apparatus Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What we still don't know

We do not know how long fountains will hold the top spot. A newer family of devices, the optical lattice clock, traps strontium or ytterbium atoms in a standing wave of laser light and interrogates them at optical frequencies tens of thousands of times higher than caesium's microwave tick. The best of them already keep time to a few parts in 10^18, about a hundred times sharper than the best fountain. A redefinition of the SI second around an optical transition is widely expected before 2030.

NIST physicists Steve Jefferts (foreground) and Tom Heavner with the NIST-F2 cesium fountain atomic clock, a new civilian time standard for NIST · Public domain

We do not fully know how to compare them. At an accuracy of 10^18, general relativity is no longer a correction; it is the dominant source of disagreement. Two clocks one centimetre apart in altitude tick at measurably different rates, because gravity dilates time. To synchronise such clocks across continents you have to know the local geoid better than anyone currently does. The clocks have started measuring the shape of the Earth.

A close view of the copper microwave cavity inside an atomic fountain clock Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

And we do not know whether the constants they rely on are constant. A few groups now compare optical clocks based on different elements, year on year, looking for drift in the fine-structure constant. If α changes by even a part in 10^17 per year, the clocks will eventually see it.

A machine that loses a second in 300 million years is, in one sense, a triumph of metrology. In another sense it is a strange and recursive thing: a piece of apparatus precise enough to notice that the universe it inhabits might not be holding still.

地球上最精确的时钟，需历经三亿年才会产生一秒的误差。它们的工作原理是将一把冷如深空的铯原子抛向一米高的空中，并聆听它们在下落时发出的鸣响。

在科罗拉多州博尔德市National Institute of Standards and Technology校园内的一间无窗实验室里，一个冰箱大小的不锈钢圆柱体几乎毫无动静地立着。在内部的高度真空中，一团铯-133原子云被六束交错的激光束冷却至约1微开尔文——比星际空间还要寒冷——随后通过对这些激光束进行轻微的失谐调整，将原子云向上托起。这团原子云上升约一米，在重力作用下减速、停止，然后回落。在上升和下降的过程中，它都会穿过一个以每秒 9,192,631,770 次循环鸣响的铜制微波谐振腔。这台机器被称为 NIST-F2。如果你在恐龙灭绝时让它开始走时，直到现在它的误差也大约只有一秒。

它是物理学最古老的一项任务——比前人更精确地报时——目前的界冠军。

让这种“原子喷泉”奏效的诀窍在于耐心。每一台原子钟测量的都是同一件事：特定同位素中的电子在两个超精细能级之间翻转的固定频率。根据国际协议，在caesium-133中，该频率精确地为 9,192,631,770 赫兹。20 世纪 50 和 60 年代老式束流钟的问题在于，原子以每秒几百米的速度掠过测量区域，你只有几毫秒的时间。对波进行询问的时间越长，就能越精确地锁定其频率；这纯粹是傅里叶分析的原理。而喷泉钟将询问时间延长到了接近整整一秒。

扎卡里亚斯、拉姆齐与冷原子云

这个构想比硬件本身出现得更早。1953 年，麻省理工学院的物理学家Jerrold Zacharias提议将热铯原子垂直向上抛出，使它们两次穿过同一个微波谐振腔：一次在上升时，一次在下降时。这一几何构型是对其同事Norman Ramsey所开发技术的一次优雅应用。拉姆齐在 1949 年证明，将两次询问脉冲在时间上分开，比单次连续脉冲能获得锐利得多的共振——这一成果最终让拉姆齐分享了 1989 年的诺贝尔奖。

扎卡里亚斯的喷泉实验失败了。热原子，即使是慢速的，也还是太热了；原子云会发生膨胀，最慢的原子在还没来得及回落穿过谐振腔之前，就被速度较快的邻居撞到了侧边。该项目随后被悄然放弃。

直到四十年后，一项新技术才将其拯救。20 世纪 80 年代，Steven Chu等人研究出如何利用激光使中性原子减速，通过调谐至略低于共振频率的光子对原子进行轰击，使得向光束移动的原子感受到的光产生了多普勒频移，从而引发吸收。到了 80 年代末，人们已经可以将铯原子云冷却到微开尔文温度，并将其近乎静止地捕获在磁光阱中。1991 年，巴黎天文台时间与频率实验室的Christophe Salomon和 André Clairon 研制出了第一台实用的激光冷却铯喷泉钟。扎卡里亚斯的设计，终于拥有了足够冷的原子。

秒是什么

这一切之所以重要，是因为“秒”不再是世界公认去测量的一个量，而是世界公认去定义的一个量。1967 年，13th General Conference on Weights and Measures废除了旧的“天文秒”——即地球自转的一个分数（而地球自转是摇摆不定的）——并将其替换为一个计数值。大会宣布，一秒即是铯-133原子在基态的两个超精细能级之间跃迁时，所对应辐射在静止、零磁场、绝对零度环境下振荡 9,192,631,770 次的时间。

这就是现在“秒”的真义。在它背后，并没有另一个独立的、更真实的“秒”让这些时钟去逼近。这些时钟本身就是秒。当 NIST-F2 与世界各地的同类设备——巴黎的 SYRTE-FO2、特丁顿的 NPL-CsF2、不伦瑞克的 PTB-CSF2——出现 10^16 分之几的偏差时，巴黎的国际计时机构会对它们的输出进行平均，根据陈述的不确定度进行加权，而这个加权平均值就成为了Coordinated Universal Time（协调世界时）。地球的自转，即曾经构成秒的基础，现在则根据这些时钟进行校准，并不时加入闰秒。

我们仍未触达的未知

我们尚不知道喷泉钟还能占据榜首多久。一类更新的设备——optical lattice clock（光晶格钟）——将锶或镱原子捕获在激光形成的驻波中，并在光学频率下对其进行询问，其频率比铯的微波滴答声高出数万倍。其中最出色的设备，走时精度已达 10^18 分之几，比最先进的喷泉钟还要锐利约百倍。人们普遍预计，在 2030 年之前，国际单位制将围绕光学跃迁对“秒”进行重新定义。

我们尚不完全清楚如何对它们进行比对。在 10^18 的精度下，广义相对论不再只是一项修正，而是差异的主要来源。海拔相差一厘米的两台时钟，由于重力引起的时间膨胀，其滴答速率会有可测量的差异。要跨越大陆同步这样的时钟，你必须比目前任何人更深入地了解当地的大地水准面。时钟已经开始用来测量地球的形状。

而且我们也不知道它们所依赖的常数是否真的是常数。现在有几个小组正在逐年比较基于不同元素的光学钟，寻找精细结构常数的漂移。如果 α 每年哪怕只变化 10^17 分之一，这些时钟最终也能察觉到。

一台三亿年才误差一秒的机器，从某种意义上说，是计量学的巅峰胜利。从另一种意义上说，它是一件奇特且具有递归意味的存在：这台仪器足够精确，精确到足以察觉它所处的宇宙或许也并非静止不动。

أكثر الساعات دقة على وجه الأرض قد تستغرق ثلاثمئة مليون عام لتنحرف بمقدار ثانية واحدة. وهي تعمل عبر قذف حفنة من ذرات السيزيوم لمسافة متر في الهواء، ببرودة تضاهي أعماق الفضاء، والإنصات إلى رنينها وهي تهوي.

في مختبر يخلو من النوافذ داخل حرم National Institute of Standards and Technology في بولدر بولاية كولورادو، توجد أسطوانة من الفولاذ المقاوم للصدأ في حجم ثلاجة تقريبًا، لا تفعل شيئًا تقريبًا. وفي داخلها، وفي فراغ تام، يجري تبريد سحابة من ذرات السيزيوم-133 بواسطة ستة حزم ليزر متقاطعة لتصل درجة حرارتها إلى نحو ميكروكلفن واحد — وهي درجة أبرد من غياهب الفضاء البينجمي — ثم تُدفع للأعلى عبر تغيير طفيف في ضبط تلك الحزم نفسها. ترتفع السحابة نحو متر واحد، ثم تتباطأ تحت تأثير الجاذبية، فتتوقف، ثم تسقط عائدة. وفي رحلتي صعودها وهبوطها، تمر السحابة عبر تجويف نحاسي للموجات الدقيقة (ميكروويف) يطن بمعدل 9,192,631,770 دورة في الثانية. تُسمى هذه الآلة NIST-F2، ولو أنك جعلتها تبدأ دقاتها منذ لحظة انقراض الديناصورات، لكان الخطأ في توقيتها الآن لا يتجاوز ثانية واحدة تقريبًا.

إنها البطل العالمي الحالي في واحدة من أقدم المهام في الفيزياء: إخبارك بالوقت بدقة تفوق ما استطاع سلفك الوصول إليه.

إن الحيلة التي تجعل هذه النافورة تعمل هي الصبر. فكل الساعات الذرية تقيس الشيء نفسه — التردد الثابت الذي تقفز عنده الإلكترونات في نظير معين بين مستويين من مستويات الطاقة "فائقة الدقة". وفي ذرات caesium-133، يبلغ هذا التردد، بموجب مرسوم دولي، 9,192,631,770 هرتز بالضبط. كانت المشكلة في ساعات الحزم الأقدم في الخمسينيات والستينيات هي أن الذرات كانت تتدفق عبر منطقة القياس بسرعة بضع مئات من الأمتار في الثانية، فكان الوقت المتاح لديك لا يتعدى أجزاءً من الألف من الثانية. وكلما زادت المدة التي يمكنك فيها سبر الموجة، زادت الدقة التي يمكنك بها تحديد ترددها؛ وهذا المبدأ ليس سوى تطبيق لتحليل فورييه. أما النافورة الذرية، فتمدد فترة السبر لتصل إلى ثانية كاملة تقريبًا.

زاكارياس، ورامزي، والسحابة الباردة

الفكرة أقدم من الجهاز نفسه. ففي عام 1953، اقترح الفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Jerrold Zacharias قذف ذرات السيزيوم الحرارية رأسيًا بحيث تمر عبر تجويف واحد للموجات الدقيقة مرتين، مرة أثناء الصعود وأخرى أثناء الهبوط. كانت هذه الهندسة تطبيقًا أنيقًا لتقنية طورها زميله Norman Ramsey، الذي أثبت في عام 1949 أن فصل نبضتي السبر زمنياً يمنح رنينًا أدق بكثير من نبضة واحدة مستمرة — وهي النتيجة التي أهلت رامزي لاحقًا لنيل نصيب من جائزة نوبل عام 1989.

لكن نافورة زاكارياس أخفقت؛ إذ كانت الذرات الحرارية، حتى البطيئة منها، شديدة السخونة، فتمددت السحابة واصطدمت الذرات الأبطأ بجاراتها الأسرع لتنحرف جانبًا قبل أن تتمكن من السقوط عائدة عبر التجويف. وهكذا أُهمل المشروع في هدوء.

استغرق الأمر أربعة عقود أخرى وتقنية جديدة لإنقاذ الفكرة. ففي الثمانينيات، توصل Steven Chu وآخرون إلى كيفية استخدام الليزر لكبح الذرات المتعادلة، عبر صدمها بفوتونات مضبوطة بتردد أقل بقليل من تردد الرنين، بحيث ترى الذرة المتحركة نحو الحزمة الضوء وكأنه منزاح بفعل تأثير دوپلر نحو الامتصاص. وبحلول أواخر الثمانينيات، أصبح من الممكن تبريد سحابة من السيزيوم إلى درجات حرارة تقاس بالميكروكلفن وتثبيتها شبه ساكنة في مصيدة مغناطيسية ضوئية. وفي عام 1991، بنى Christophe Salomon وأندريه كليرون في مختبر الوقت والتردد بمرصد باريس أول نافورة سيزيوم تعمل بالتبريد الليزري. لقد تحقق تصميم زاكارياس أخيرًا، ولكن بكلمات أخرى: بذرات باردة بما يكفي.

ماهية الثانية

كل هذا يكتسب أهمية لأن الثانية لم تعد شيئًا يتفق العالم على قياسه، بل أصبحت شيئًا اتفق العالم على تعريفه. ففي عام 1967، ألغى 13th General Conference on Weights and Measures الثانية الفلكية القديمة — التي كانت كسرًا من دورة الأرض، وهي دورة متذبذبة — واستبدلها بعدد محدد. وأعلن المؤتمر أن الثانية الواحدة هي 9,192,631,770 اهتزازة من الإشعاع المنبعث عندما تنتقل ذرة السيزيوم-133 بين مستويين فائقَي الدقة في حالتها المستقرة، وهي في سكون، وعند مجال مغناطيسي صفري، وفي درجة الصفر المطلق.

هذا هو الآن تعريف الثانية. لا توجد ثانية أخرى منفصلة أو "أكثر حقيقة" خلف هذا التعريف تحاول الساعات تقريبها؛ فالساعات هي الثانية ذاتها. وحين تختلف NIST-F2 ونظيراتها حول العالم — مثل SYRTE-FO2 في باريس، وNPL-CsF2 في تيدينغتون، وPTB-CSF2 في براونشفايغ — ببضعة أجزاء من 10^16، يقوم حفظة الوقت الدوليون في باريس بحساب متوسط مخرجاتها، وترجيحها بناءً على الارتياب المعلن، ويصبح هذا المتوسط المرجح هو Coordinated Universal Time. أما دوران الأرض، وهو الشيء الذي كانت الثانية تُصنع منه قديمًا، فيجري تصحيحه الآن وفقًا للساعات عبر ما يُعرف بالثانية الكبيسة التي تُضاف من حين لآخر.

ما لا نزال نجهله

لا نعرف إلى متى ستظل النوافير الذرية متربعة على العرش. فهناك عائلة جديدة من الأجهزة، وهي optical lattice clock (ساعة الشبكة الضوئية)، تحبس ذرات السترونشيوم أو الإيتيربيوم في موجة مستقرة من ضوء الليزر وتسبُرها عند ترددات ضوئية أعلى بعشرات آلاف المرات من دقات السيزيوم في نطاق الموجات الدقيقة. وأفضل هذه الساعات يحفظ الوقت بالفعل بدقة تصل إلى بضعة أجزاء من 10^18، أي أدق بنحو مئة مرة من أفضل نافورة ذرية. ومن المتوقع على نطاق واسع إعادة تعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات بناءً على انتقال ضوئي قبل عام 2030.

كما أننا لا نعرف تمامًا كيف نقارن بينها. فعند مستوى دقة يصل إلى 10^18، لم تعد النسبية العامة مجرد تصحيح هامشي، بل أصبحت المصدر الرئيسي للاختلاف؛ فساعتان تفصل بينهما سنتيمتر واحد فقط في الارتفاع تدقان بمعدلات مختلفة بشكل قابل للقياس، لأن الجاذبية تسبب تمدد الزمن. ولمزامنة مثل هذه الساعات عبر القارات، عليك أن تعرف "الجيوئيد" المحلي بدقة تفوق معرفة أي شخص حاليًا. لقد بدأت الساعات في قياس شكل الأرض نفسه.

ونحن لا نعرف ما إذا كانت الثوابت التي تعتمد عليها هي ثوابت حقًا. فثمة مجموعات بحثية تقارن الآن بين الساعات الضوئية القائمة على عناصر مختلفة، عامًا بعد عام، بحثًا عن أي انزياح في ثابت البناء الدقيق. فإذا تغير ثابت "ألفا" ولو بجزء واحد من 10^17 سنويًا، فإن الساعات ستكتشف ذلك في النهاية.

إن الآلة التي تفقد ثانية واحدة كل 300 مليون سنة هي، من منظور ما، انتصار لعلم القياس. ومن منظور آخر، هي شيء غريب وارتدادي: جهاز دقيق بما يكفي ليلاحظ أن الكون الذي يسكنه قد لا يكون مستقرًا في مكانه.

पृथ्वी की सबसे सटीक घड़ियों को एक सेकंड के अंतर के लिए भी 30 करोड़ साल लग जाएँगे। ये घड़ियाँ सीज़ियम के चंद परमाणुओं को अंतरिक्ष की गहराइयों जैसी ठंडक में हवा में एक मीटर ऊपर उछालकर और नीचे गिरते वक्त उनकी झंकार सुनकर काम करती हैं।

कोलोराडो के बोल्डर में स्थित National Institute of Standards and Technology परिसर की एक खिड़की-रहित प्रयोगशाला में, लगभग एक रेफ्रिजरेटर के आकार का स्टेनलेस-स्टील का एक बेलन रखा है, जो लगभग कुछ नहीं करता। इसके भीतर, एक पूर्ण निर्वात में, सीज़ियम-133 परमाणुओं के एक बादल को छह प्रतिच्छेदी लेजर किरणों द्वारा लगभग एक माइक्रोकेल्विन तक ठंडा किया जाता है—जो अंतरतारकीय अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडा है—और फिर उन्हीं किरणों की फ्रीक्वेंसी में मामूली बदलाव करके उन्हें ऊपर की ओर धकेला जाता है। वह बादल लगभग एक मीटर ऊपर उठता है, गुरुत्वाकर्षण के कारण धीमा होता है, रुकता है, और फिर वापस गिर जाता है। ऊपर जाते समय और नीचे आते समय, वह तांबे के एक माइक्रोवेव कोटर (कैविटी) से होकर गुजरता है, जो प्रति सेकंड 9,192,631,770 चक्रों पर गूंज रहा होता है। इस मशीन का नाम NIST-F2 है। यदि आपने इसे डायनासोरों के विलुप्त होने के समय शुरू किया होता, तो अब तक इसमें केवल एक सेकंड का अंतर आया होता।

यह भौतिकी के सबसे पुराने कामों में से एक का वर्तमान विश्व विजेता है: आपको यह बताना कि समय क्या हुआ है, और वह भी पिछली बार की तुलना में कहीं अधिक सटीकता के साथ।

इस फव्वारे को सफल बनाने वाली युक्ति 'धैर्य' है। हर परमाणु घड़ी एक ही चीज़ मापती है—वह निश्चित आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) जिस पर एक विशेष आइसोटोप के इलेक्ट्रॉन दो 'हाइपरफाइन' अवस्थाओं के बीच बदलते हैं। caesium-133 में वह आवृत्ति, अंतरराष्ट्रीय डिक्री के अनुसार, ठीक 9,192,631,770 हर्ट्ज़ है। 1950 और 60 के दशक की पुरानी बीम घड़ियों के साथ समस्या यह थी कि परमाणु मापन क्षेत्र से कुछ सौ मीटर प्रति सेकंड की गति से गुजर जाते थे। आपके पास केवल मिलीसेकंड होते थे। आप जितनी देर तक किसी तरंग की जांच कर सकते हैं, उतनी ही सटीकता से आप उसकी आवृत्ति निर्धारित कर सकते हैं; यह केवल फूरियर विश्लेषण का सिद्धांत है। एक फव्वारा इस जांच की अवधि को बढ़ाकर लगभग एक पूरे सेकंड तक ले जाता है।

ज़ाखरियास, रैमसे और शीतल बादल

यह विचार हार्डवेयर से भी पुराना है। 1953 में, एमआईटी के एक भौतिक विज्ञानी Jerrold Zacharias ने तापीय सीज़ियम परमाणुओं को लंबवत रूप से उछालने का प्रस्ताव दिया ताकि वे एक ही माइक्रोवेव कोटर से दो बार गुजरें, एक बार ऊपर जाते हुए और एक बार नीचे गिरते हुए। यह ज्यामिति उनके सहयोगी Norman Ramsey द्वारा विकसित एक तकनीक का शानदार अनुप्रयोग थी, जिन्होंने 1949 में दिखाया था कि दो जांच पल्स को समय के अंतराल पर अलग करने से एक निरंतर पल्स की तुलना में कहीं अधिक सटीक अनुनाद (रेजोनेंस) प्राप्त होता है—एक ऐसा परिणाम जिसने अंततः रैमसे को 1989 के नोबेल पुरस्कार का भागीदार बनाया।

ज़ाखरियास का फव्वारा विफल रहा। तापीय परमाणु, यहाँ तक कि धीमे वाले भी, बहुत गर्म थे; बादल फैल गया और सबसे धीमे परमाणु को उनके तेज पड़ोसियों ने बगल की ओर धकेल दिया, इससे पहले कि वे कोटर के माध्यम से वापस गिर पाते। इस परियोजना को चुपचाप छोड़ दिया गया।

इसे बचाने के लिए चार और दशक और एक नई तकनीक की आवश्यकता पड़ी। 1980 के दशक में, Steven Chu और अन्य वैज्ञानिकों ने यह खोजा कि तटस्थ परमाणुओं को धीमा करने के लिए लेजर का उपयोग कैसे किया जाए। उन्होंने उन्हें उन फोटॉनों से टकराया जिन्हें अनुनाद से ठीक नीचे ट्यून किया गया था, ताकि किरण की ओर बढ़ने वाला परमाणु डॉपलर-शिफ्ट के कारण प्रकाश को अवशोषित कर सके। 80 के दशक के अंत तक, आप सीज़ियम के बादल को माइक्रो-केल्विन तापमान तक ठंडा कर सकते थे और उसे एक मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप में लगभग स्थिर रख सकते थे। 1991 में, पेरिस वेधशाला की समय-और-आवृत्ति प्रयोगशाला में Christophe Salomon और आंद्रे क्लेरॉन ने पहली कार्यशील लेजर-कूल्ड सीज़ियम फव्वारा घड़ी बनाई। आखिरकार, ज़ाखरियास का डिज़ाइन पर्याप्त ठंडे परमाणुओं के साथ साकार हुआ।

सेकंड क्या है

यह सब इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि सेकंड अब ऐसी चीज़ नहीं है जिसे दुनिया मापने के लिए सहमत होती है। यह वह चीज़ है जिसे दुनिया ने परिभाषित करने का निर्णय लिया है। 1967 में, 13th General Conference on Weights and Measures ने पुराने खगोलीय सेकंड को त्याग दिया—जो पृथ्वी के घूर्णन का एक हिस्सा था और जिसमें अस्थिरता थी—और इसे एक गिनती से बदल दिया। सम्मेलन ने घोषणा की कि एक सेकंड, सीज़ियम-133 परमाणु के अपनी जमीनी अवस्था के दो हाइपरफाइन स्तरों के बीच संक्रमण के दौरान उत्सर्जित विकिरण के 9,192,631,770 दोलनों के बराबर है, जो स्थिर अवस्था में, शून्य चुंबकीय क्षेत्र और परम शून्य तापमान पर हो।

अब सेकंड यही है। इसके पीछे कोई अलग, अधिक वास्तविक सेकंड नहीं है जिसकी ये घड़ियाँ तुलना कर रही हैं। ये घड़ियाँ ही सेकंड हैं। जब NIST-F2 और दुनिया भर में इसके समकक्ष—पेरिस में SYRTE-FO2, टेडिंगटन में NPL-CsF2, ब्राउनश्वेग में PTB-CSF2—10^16 में कुछ हिस्सों से असहमत होते हैं, तो पेरिस में अंतरराष्ट्रीय समयपाल उनके परिणामों का औसत निकालते हैं, उन्हें उनकी घोषित अनिश्चितता के आधार पर महत्व देते हैं, और वह भारित माध्य Coordinated Universal Time बन जाता है। पृथ्वी का घूर्णन, जिससे कभी सेकंड बना था, अब इन घड़ियों के आधार पर समय-समय पर 'लीप सेकंड' के माध्यम से सुधारा जाता है।

हम अभी भी क्या नहीं जानते

हम नहीं जानते कि ये फव्वारे कब तक शीर्ष स्थान पर बने रहेंगे। उपकरणों का एक नया परिवार, optical lattice clock, स्ट्रोंटियम या इटरबियम परमाणुओं को लेजर प्रकाश की एक खड़ी तरंग (स्टैंडिंग वेव) में कैद करता है और सीज़ियम के माइक्रोवेव टिक की तुलना में हजारों गुना उच्च ऑप्टिकल आवृत्तियों पर उनकी जांच करता है। इनमें से बेहतरीन घड़ियाँ पहले से ही 10^18 में कुछ हिस्सों तक समय का हिसाब रखती हैं, जो सबसे अच्छे फव्वारे की तुलना में लगभग सौ गुना अधिक सटीक है। 2030 से पहले एक ऑप्टिकल संक्रमण के आधार पर एसआई (SI) सेकंड के पुनर्निर्धारण की व्यापक उम्मीद है।

हम पूरी तरह से यह नहीं जानते कि उनकी तुलना कैसे की जाए। 10^18 की सटीकता पर, सामान्य सापेक्षता अब केवल एक संशोधन नहीं रह गई है; यह असहमति का मुख्य स्रोत बन गई है। ऊंचाई में एक सेंटीमीटर के अंतर पर रखी दो घड़ियाँ मापने योग्य अलग-अलग दरों पर चलती हैं, क्योंकि गुरुत्वाकर्षण समय को धीमा कर देता है। महाद्वीपों के पार ऐसी घड़ियों को सिंक्रनाइज़ करने के लिए आपको स्थानीय 'जियोइड' को वर्तमान की तुलना में कहीं बेहतर तरीके से जानना होगा। घड़ियों ने अब पृथ्वी के आकार को मापना शुरू कर दिया है।

और हम यह भी नहीं जानते कि जिन नियतांकों पर वे निर्भर हैं, वे वास्तव में स्थिर हैं या नहीं। कुछ समूह अब अलग-अलग तत्वों पर आधारित ऑप्टिकल घड़ियों की साल-दर-साल तुलना कर रहे हैं, ताकि सूक्ष्म-संरचना नियतांक (α) में विचलन की तलाश की जा सके। यदि α में प्रति वर्ष 10^17 में एक हिस्से का भी बदलाव आता है, तो घड़ियाँ अंततः इसे पकड़ लेंगी।

एक मशीन जो 30 करोड़ वर्षों में एक सेकंड का अंतर पैदा करती है, वह एक अर्थ में माप विज्ञान (मेट्रोलॉजी) की विजय है। दूसरे अर्थ में, यह एक अजीब और आत्म-संदर्भित चीज़ है: उपकरणों का एक ऐसा समूह जो इतना सटीक है कि वह यह नोटिस कर सकता है कि जिस ब्रह्मांड में वह मौजूद है, वह शायद स्थिर नहीं रह रहा है।

Los relojes más precisos de la Tierra tardarían 300 millones de años en desfasarse un solo segundo. Funcionan lanzando un puñado de átomos de cesio a un metro de altura, fríos como el espacio profundo, y escuchando cómo resuenan en su descenso.

En un laboratorio sin ventanas del campus del National Institute of Standards and Technology en Boulder, Colorado, un cilindro de acero inoxidable del tamaño aproximado de un refrigerador casi no hace nada. En su interior, en un vacío absoluto, una nube de átomos de cesio-133 es enfriada por seis haces de láser cruzados hasta alcanzar cerca de un microkelvin —más frío que el espacio interestelar— y luego es impulsada hacia arriba mediante una ligera desintonización de esos mismos haces. La nube asciende cerca de un metro, se frena bajo el efecto de la gravedad, se detiene y vuelve a caer. Tanto al subir como al bajar, pasa a través de una cavidad de cobre de microondas que vibra a 9.192.631.770 ciclos por segundo. La máquina se llama NIST-F2. Si se hubiera puesto en marcha en el momento de la extinción de los dinosaurios, ahora tendría un desfase de apenas un segundo.

Es el actual campeón mundial en una de las tareas más antiguas de la física: decir, con mayor precisión de lo que pudo el anterior, qué hora es.

El truco que hace que la fuente funcione es la paciencia. Todo reloj atómico mide lo mismo: la frecuencia fija a la que los electrones de un isótopo particular oscilan entre dos estados hiperfinos. En el caesium-133, esa frecuencia es, por decreto internacional, de exactamente 9.192.631.770 hercios. El problema de los antiguos relojes de haz de los años cincuenta y sesenta era que los átomos pasaban por la región de medición a unos cientos de metros por segundo. Se disponía de milisegundos. Cuanto más tiempo se pueda interrogar a una onda, con mayor precisión se podrá determinar su frecuencia; eso no es más que análisis de Fourier. Una fuente prolonga la interrogación hasta casi un segundo completo.

Zacharias, Ramsey y la nube fría

La idea es más antigua que el aparato. En 1953, un físico del MIT llamado Jerrold Zacharias propuso lanzar átomos de cesio térmicos verticalmente para que pasaran dos veces por una única cavidad de microondas, una vez al subir y otra al bajar. La geometría era una aplicación elegante de una técnica desarrollada por su colega Norman Ramsey, quien en 1949 había demostrado que separar los dos pulsos de interrogación en el tiempo proporcionaba una resonancia mucho más nítida que un único pulso continuo; un resultado que finalmente le valió a Ramsey una parte del Premio Nobel de 1989.

La fuente de Zacharias fracasó. Los átomos térmicos, incluso los lentos, estaban demasiado calientes; la nube se expandía y los átomos más lentos eran golpeados lateralmente por sus vecinos más rápidos antes de que pudieran volver a caer a través de la cavidad. El proyecto se abandonó discretamente.

Hicieron falta cuatro décadas más y una nueva tecnología para rescatarlo. En los años ochenta, Steven Chu y otros descubrieron cómo utilizar láseres para frenar átomos neutros, bombardeándolos con fotones sintonizados justo por debajo de la resonancia, de modo que un átomo que se moviera hacia el haz viera la luz desplazada por efecto Doppler hacia la absorción. A finales de esa década, ya era posible enfriar una nube de cesio a temperaturas de microkelvin y mantenerla casi inmóvil en una trampa magneto-óptica. En 1991, Christophe Salomon y André Clairon, en el laboratorio de tiempo y frecuencia del Observatorio de París, construyeron la primera fuente de cesio enfriada por láser que funcionaba. El diseño de Zacharias, por fin, con átomos lo suficientemente fríos.

Lo que es un segundo

Todo esto es importante porque el segundo ya no es algo que el mundo se limite a medir de común acuerdo. Es algo que el mundo ha acordado definir. En 1967, la 13th General Conference on Weights and Measures desechó el antiguo segundo astronómico —una fracción de la rotación de la Tierra, que es inestable— y lo sustituyó por un recuento. Un segundo, declaró la conferencia, son 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida cuando un átomo de cesio-133 transiciona entre los dos niveles hiperfinos de su estado fundamental, en reposo, en un campo magnético nulo y al cero absoluto.

Eso es ahora lo que es un segundo. No hay un segundo aparte, más verdadero, detrás de él, al que los relojes se aproximen. Los relojes son el segundo. Cuando el NIST-F2 y sus homólogos en todo el mundo —el SYRTE-FO2 en París, el NPL-CsF2 en Teddington, el PTB-CSF2 en Braunschweig— discrepan por unas pocas partes en 10^16, los cronometradores internacionales en París promedian sus resultados, los ponderan según la incertidumbre declarada y esa media ponderada se convierte en el Coordinated Universal Time. La rotación de la Tierra, aquello de lo que solía estar hecho el segundo, ahora se corrige frente a los relojes con algún que otro segundo intercalar.

Lo que aún no sabemos

No sabemos cuánto tiempo mantendrán las fuentes el primer puesto. Una nueva familia de dispositivos, el optical lattice clock, atrapa átomos de estroncio o iterbio en una onda estacionaria de luz láser y los interroga a frecuencias ópticas decenas de miles de veces superiores al tic-tac de microondas del cesio. Los mejores de ellos ya mantienen la hora con una precisión de unas pocas partes en 10^18, unas cien veces más nítida que la mejor fuente. Se espera ampliamente una redefinición del segundo del SI en torno a una transición óptica antes de 2030.

No sabemos del todo cómo compararlos. Con una precisión de 10^18, la relatividad general ya no es una corrección; es la principal fuente de discrepancia. Dos relojes separados por un centímetro de altitud marcan el tiempo a ritmos mediblemente distintos, porque la gravedad dilata el tiempo. Para sincronizar tales relojes a través de continentes, es necesario conocer el geoide local mejor de lo que nadie lo conoce actualmente. Los relojes han empezado a medir la forma de la Tierra.

Y no sabemos si las constantes en las que se basan son realmente constantes. Algunos grupos comparan ahora relojes ópticos basados en diferentes elementos, año tras año, buscando una deriva en la constante de estructura fina. Si α cambia incluso en una parte en 10^17 por año, los relojes acabarán por detectarlo.

Una máquina que pierde un segundo cada 300 millones de años es, en cierto sentido, un triunfo de la metrología. En otro sentido, es algo extraño y recursivo: un aparato lo suficientemente preciso como para advertir que el universo que habita podría no estarse quieto.

Самым точным часам на Земле потребовалось бы 300 миллионов лет, чтобы сбиться всего на одну секунду. Они работают, подбрасывая горсть атомов цезия на метр в воздух — холодными, как глубины космоса, — и прислушиваясь к их звону на пути вниз.

В лаборатории без окон на территории National Institute of Standards and Technology в Боулдере, штат Колорадо, цилиндр из нержавеющей стали размером примерно с холодильник почти ничего не делает. Внутри, в глубоком вакууме, облако атомов цезия-133 охлаждается шестью скрещенными лазерными лучами до температуры около одного микрокельвина — что холоднее межзвездного пространства — а затем подталкивается вверх за счет небольшой расстройки частоты тех же самых лучей. Облако поднимается примерно на метр, замедляется под действием гравитации, останавливается и падает обратно. На пути вверх и на пути вниз оно проходит через медный микроволновый резонатор, гудящий с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду. Эта машина называется NIST-F2. Если бы вы запустили её в момент вымирания динозавров, к настоящему времени она ошиблась бы примерно на одну секунду.

Это нынешний мировой чемпион в одной из старейших задач физики: сообщать нам о том, который сейчас час, точнее, чем кто-либо до этого.

Секрет работы этого «фонтана» заключается в терпении. Любые атомные часы измеряют одно и то же — фиксированную частоту, при которой электроны в конкретном изотопе переходят между двумя сверхтонкими состояниями. Для caesium-133 эта частота по международному соглашению составляет ровно 9 192 631 770 герц. Проблема старых лучевых часов 1950-х и 60-х годов заключалась в том, что атомы проносились через зону измерения со скоростью несколько сотен метров в секунду. В распоряжении ученых были миллисекунды. Чем дольше вы можете опрашивать волну, тем точнее вы определите её частоту; это не более чем основы анализа Фурье. Фонтан растягивает время опроса почти до полной секунды.

Захариас, Рэмси и холодное облако

Идея эта старше самого устройства. В 1953 году физик из Массачусетского технологического института по имени Jerrold Zacharias предложил подбрасывать термические атомы цезия вертикально, чтобы они дважды проходили через один и тот же микроволновый резонатор — один раз при подъеме и один раз при падении. Такая геометрия была элегантным применением метода, разработанного его коллегой Norman Ramsey, который в 1949 году показал, что разделение двух импульсов опроса во времени дает гораздо более острый резонанс, чем один непрерывный импульс — результат, за который Рэмси в итоге получил Нобелевскую премию 1989 года.

Фонтан Захариаса потерпел неудачу. Термические атомы, даже медленные, были слишком «горячими»; облако расширялось, и самые медленные атомы выбивались в стороны своими более быстрыми соседями еще до того, как успевали упасть обратно через резонатор. Проект был тихо закрыт.

Потребовалось еще четыре десятилетия и новая технология, чтобы спасти эту идею. В 1980-х годах Steven Chu и его коллеги придумали, как использовать лазеры для торможения нейтральных атомов, бомбардируя их фотонами, настроенными чуть ниже резонанса, так что атом, движущийся навстречу лучу, видел свет, смещенный в область поглощения из-за эффекта Доплера. К концу 80-х стало возможным охлаждать облако цезия до микрокельвиновых температур и удерживать его почти неподвижно в магнитооптической ловушке. В 1991 году Christophe Salomon и Андре Клерон в лаборатории времени и частоты Парижской обсерватории построили первый работающий цезиевый фонтан с лазерным охлаждением. Конструкция Захариаса наконец-то получила достаточно холодные атомы.

Что такое секунда

Все это имеет значение, потому что секунда больше не является чем-то, что мир договорился измерять. Это то, что мир договорился определять. В 1967 году 13th General Conference on Weights and Measures отменила старую астрономическую секунду — долю периода вращения Земли, которое нестабильно, — и заменила её числом. Одна секунда, провозгласила конференция, — это 9 192 631 770 периодов излучения, испускаемого при переходе атома цезия-133 между двумя сверхтонкими уровнями его основного состояния в покое, при нулевом магнитном поле и абсолютном нуле температур.

Именно это теперь и есть секунда. Не существует какой-то отдельной, более «истинной» секунды, которую часы лишь аппроксимируют. Часы и есть сама секунда. Когда NIST-F2 и его аналоги по всему миру — SYRTE-FO2 в Париже, NPL-CsF2 в Теддингтоне, PTB-CSF2 в Брауншвейге — расходятся в показаниях на несколько единиц в 10^16 степени, международные хранители времени в Париже усредняют их данные, взвешивают их согласно заявленной неопределенности, и это средневзвешенное значение становится Coordinated Universal Time. Вращение Земли — то, из чего раньше состояла секунда — теперь корректируется по часам с помощью периодических «високосных секунд».

Чего мы до сих пор не знаем

Мы не знаем, как долго фонтаны будут удерживать лидерство. Новое семейство устройств, optical lattice clock (часы на оптической решетке), удерживает атомы стронция или иттербия в стоячей волне лазерного света и опрашивает их на оптических частотах, которые в десятки тысяч раз выше частоты «тиканья» цезия в микроволновом диапазоне. Лучшие из них уже отсчитывают время с точностью до нескольких единиц в 10^18 степени, что примерно в сто раз точнее лучшего фонтана. Переопределение секунды системы СИ на основе оптического перехода ожидается до 2030 года.

Мы не совсем понимаем, как их сравнивать. При точности в 10^18 общая теория относительности перестает быть просто поправкой; она становится основным источником расхождений. Двое часов, находящихся на расстоянии одного сантиметра друг от друга по высоте, тикают с заметно разной скоростью, потому что гравитация замедляет время. Чтобы синхронизировать такие часы на разных континентах, нужно знать форму локального геоида лучше, чем кто-либо знает её сейчас. Часы начали измерять форму самой Земли.

И мы не знаем, являются ли константы, на которые они полагаются, неизменными. Несколько групп исследователей ежегодно сравнивают оптические часы на основе различных элементов, пытаясь обнаружить дрейф постоянной тонкой структуры. Если α изменится хотя бы на одну 10^17 часть в год, часы в конечном итоге это заметят.

Машина, которая теряет секунду за 300 миллионов лет, — это, с одной стороны, триумф метрологии. С другой стороны, это нечто странное и рекурсивное: аппарат, достаточно точный, чтобы заметить, что Вселенная, в которой он находится, возможно, не стоит на месте.

Les horloges les plus précises au monde mettraient 300 millions d’années pour dériver d’une seule seconde. Elles fonctionnent en lançant une poignée d’atomes de césium à un mètre de hauteur, froids comme l’espace profond, et en écoutant leur tintement lors de leur chute.

Dans un laboratoire sans fenêtres du campus du National Institute of Standards and Technology à Boulder, dans le Colorado, un cylindre en acier inoxydable de la taille approximative d'un réfrigérateur ne fait presque rien. À l'intérieur, dans un vide poussé, un nuage d'atomes de césium 133 est refroidi par six faisceaux laser croisés à environ un microkelvin — une température plus froide que celle de l'espace interstellaire — puis propulsé vers le haut par un léger désaccordage de ces mêmes faisceaux. Le nuage s'élève d'environ un mètre, ralentit sous l'effet de la gravité, s'arrête et retombe. À l'aller comme au retour, il traverse une cavité micro-ondes en cuivre vibrant à 9 192 631 770 cycles par seconde. La machine s'appelle NIST-F2. Si vous l'aviez mise en marche à l'époque de l'extinction des dinosaures, elle n'accuserait aujourd'hui qu'un écart d'environ une seconde.

Il est l'actuel champion du monde de l'une des plus vieilles tâches de la physique : dire l'heure avec plus de précision que son prédécesseur.

L'astuce qui permet à la fontaine de fonctionner est la patience. Chaque horloge atomique mesure la même chose : la fréquence fixe à laquelle les électrons d'un isotope particulier basculent entre deux états hyperfins. Pour le caesium-133, cette fréquence est, par décret international, d'exactement 9 192 631 770 hertz. Le problème des anciennes horloges à jet des années 1950 et 1960 était que les atomes défilaient devant la zone de mesure à quelques centaines de mètres par seconde. On ne disposait que de millisecondes. Plus le temps d'interrogation d'une onde est long, plus on peut en déterminer la fréquence avec précision ; c'est là un simple principe de l'analyse de Fourier. Une fontaine prolonge l'interrogation jusqu'à près d'une seconde entière.

Zacharias, Ramsey et le nuage froid

L'idée est plus ancienne que le matériel. En 1953, un physicien du MIT nommé Jerrold Zacharias proposa de projeter verticalement des atomes de césium thermiques afin qu'ils traversent deux fois une même cavité micro-ondes, une fois à la montée et une fois à la descente. Cette géométrie était une application élégante d'une technique mise au point par son collègue Norman Ramsey, qui avait démontré en 1949 que le fait de séparer les deux impulsions d'interrogation dans le temps permettait d'obtenir une résonance bien plus fine qu'une impulsion continue — un résultat qui valut finalement à Ramsey une part du prix Nobel de physique en 1989.

La fontaine de Zacharias fut un échec. Les atomes thermiques, même les plus lents, étaient trop chauds ; le nuage se dilatait et les atomes les plus lents étaient expulsés latéralement par leurs voisins plus rapides avant de pouvoir retomber à travers la cavité. Le projet fut discrètement abandonné.

Il fallut attendre quatre décennies supplémentaires et une nouvelle technologie pour le sauver. Dans les années 1980, Steven Chu et d'autres chercheurs comprirent comment utiliser des lasers pour freiner des atomes neutres, les pilonnant de photons réglés juste en dessous de la fréquence de résonance, de sorte qu'un atome se déplaçant vers le faisceau voyait la lumière absorbée par effet Doppler. À la fin des années 1980, on parvenait à refroidir un nuage de césium à des températures de l'ordre du microkelvin et à le maintenir presque immobile dans un piège magnéto-optique. En 1991, Christophe Salomon et André Clairon, du laboratoire temps-fréquence de l'Observatoire de Paris, construisirent la première fontaine à césium fonctionnelle refroidie par laser. Le concept de Zacharias, enfin, avec des atomes assez froids.

Ce qu'est une seconde

Tout cela est crucial car la seconde n'est plus une chose que le monde s'accorde à mesurer. C'est une chose que le monde a convenu de définir. En 1967, la 13th General Conference on Weights and Measures a écarté l'ancienne seconde astronomique — une fraction de la rotation de la Terre, laquelle est irrégulière — pour la remplacer par un décompte. Une seconde, a déclaré la conférence, correspond à 9 192 631 770 oscillations du rayonnement émis lors de la transition d'un atome de césium 133 entre les deux niveaux hyperfins de son état fondamental, au repos, à champ magnétique nul et au zéro absolu.

Voilà désormais ce qu'est une seconde. Il n'existe pas de seconde distincte, plus « vraie », que les horloges tenteraient d'approcher. Les horloges sont la seconde. Lorsque NIST-F2 et ses pairs à travers le monde — SYRTE-FO2 à Paris, NPL-CsF2 à Teddington, PTB-CSF2 à Braunschweig — divergent de quelques parties pour 10^16, les gardiens du temps internationaux à Paris font la moyenne de leurs résultats, les pondèrent selon l'incertitude annoncée, et cette moyenne pondérée devient le Coordinated Universal Time. La rotation de la Terre, matière dont la seconde était autrefois faite, est désormais corrigée par rapport aux horloges par l'ajout occasionnel d'une seconde intercalaire.

Ce que nous ignorons encore

Nous ne savons pas combien de temps les fontaines conserveront la première place. Une nouvelle famille d'appareils, l'optical lattice clock (horloge à réseau optique), piège des atomes de strontium ou d'ytterbium dans une onde stationnaire de lumière laser et les interroge à des fréquences optiques des dizaines de milliers de fois supérieures au tic-tac micro-ondes du césium. Les meilleures d'entre elles gardent déjà le temps à quelques parties pour 10^18 près, soit environ cent fois plus de précision que la meilleure fontaine. Une redéfinition de la seconde du SI autour d'une transition optique est largement attendue avant 2030.

Nous ne savons pas non plus tout à fait comment les comparer. À une précision de 10^18, la relativité générale n'est plus une simple correction ; elle est la source dominante de divergence. Deux horloges séparées d'un centimètre d'altitude battent à des rythmes mesurablement différents, car la gravité dilate le temps. Pour synchroniser de telles horloges d'un continent à l'autre, il faut connaître le géoïde local mieux que quiconque à l'heure actuelle. Les horloges ont commencé à mesurer la forme de la Terre.

Enfin, nous ignorons si les constantes sur lesquelles elles reposent sont réellement constantes. Quelques groupes comparent désormais, année après année, des horloges optiques basées sur différents éléments, à la recherche d'une dérive de la constante de structure fine. Si α change ne serait-ce que d'une partie pour 10^17 par an, les horloges finiront par s'en apercevoir.

Une machine qui perd une seconde en 300 millions d'années est, d'un certain point de vue, un triomphe de la métrologie. D'un autre côté, c'est un objet étrange et récursif : un appareil assez précis pour remarquer que l'univers qu'il habite n'est peut-être pas tout à fait immobile.

地球上で最も正確な時計は、わずか一秒の誤差が生じるまでに三億年もの歳月を要する。その仕組みは、深宇宙のごとき冷たさにまで冷やされた一握りのセシウム原子を空中へ一メートルほど放り投げ、落下する彼らが奏でる響きに耳を澄ませる、というものだ。

コロラド州ボールダーにあるNational Institute of Standards and Technologyのキャンパス。窓のない実験室で、冷蔵庫ほどの大きさのステンレス製シリンダーが、ほとんど何もしないまま鎮座している。その内部、高真空の中では、6本の交差するレーザービームによってセシウム133原子の雲が約1マイクロケルビン――星間空間よりも低い温度――まで冷却され、次いで同じビームのわずかな離調によって上方へと押し上げられる。雲は約1メートル上昇し、重力によって減速し、静止し、そして再び落下する。上昇と落下の途上、それは毎秒9,192,631,770サイクルの唸りを上げる銅製のマイクロ波空洞を通過する。この装置の名はNIST-F2。もし恐竜が絶滅した瞬間に時を刻み始めていたとしても、現在までに生じた誤差はわずか1秒ほどだろう。

これは「今が何時であるか」を、先人たちよりも正確に告げるという、物理学における最も古くからの命題における現在の世界チャンピオンである。

この「原子泉」を成立させている秘訣は、忍耐である。いかなる原子時計も、測定している対象は同じだ。特定の同位体における電子が、二つの超微細状態の間を遷移する際の固定された周波数である。caesium-133において、その周波数は国際的な定義により、正確に9,192,631,770ヘルツと定められている。1950年代から60年代にかけて用いられた古いビーム型時計の問題は、原子が毎秒数百メートルの速度で測定領域を通り過ぎてしまうことにあった。測定にかけられる時間はミリ秒単位しかなかったのである。波を観測する時間が長ければ長いほど、その周波数をより正確に特定できる。それはフーリエ解析が示す通りだ。原子泉方式は、その観測時間をほぼ1秒間にまで引き延ばしたのである。

ザカリアス、ラムゼー、そして冷たい雲

この着想は、装置そのものよりも古い。1953年、MITの物理学者Jerrold Zachariasは、熱せられたセシウム原子を垂直に放り上げ、上昇時と落下時の二度、単一のマイクロ波空洞を通過させる手法を提案した。その幾何学的な構成は、同僚のNorman Ramseyが開発した手法を鮮やかに応用したものだった。ラムゼーは1949年に、二つの相互作用パルスを時間的に分離することで、連続的な単一パルスよりもはるかに鋭い共鳴を得られることを示しており、この業績によって最終的に1989年のノーベル物理学賞を共同受賞することになる。

ザカリアスの原子泉は失敗に終わった。熱せられた原子は、たとえ低速のものであっても、あまりに高温すぎた。原子の雲は拡散し、最も低速な原子たちは再び空洞を落下して通過する前に、より高速な隣接する原子と衝突して弾き飛ばされてしまったのである。このプロジェクトは静かに幕を下ろした。

それを救うには、さらに40年の歳月と新たな技術が必要だった。1980年代、Steven Chuらはレーザーを用いて中性原子にブレーキをかける手法を編み出した。共鳴周波数のわずか下に調整された光子を原子に浴びせ、ビームに向かって移動する原子がドップラーシフトによってその光を吸収するように仕向けたのである。80年代後半には、セシウムの雲をマイクロケルビン単位の温度まで冷却し、磁気光学トラップによってほぼ静止した状態で保持することが可能となった。そして1991年、パリ天文台の時間・周波数研究所のChristophe Salomonとアンドレ・クレロンが、レーザー冷却を用いた初の動作可能なセシウム原子泉時計を製作した。ついに、十分に冷たい原子によって、ザカリアスの設計が実現したのである。

「1秒」とは何か

これらすべてが重要である理由は、1秒という単位が、もはや世界が「測定」することに同意した対象ではないからだ。それは今や、世界が「定義」することに同意した概念なのである。1967年、13th General Conference on Weights and Measuresは、地球の自転という、ふらつきを伴う古い天文学的な1秒を破棄し、それを「カウント」に置き換えた。会議の宣言によれば、1秒とは、セシウム133原子の基底状態にある二つの超微細準位間の遷移に対応する放射の周期の、9,192,631,770倍である（静止し、磁場がなく、絶対零度である場合）。

これが現在の「1秒」そのものである。時計が近似しようとしている、別の「より真実な1秒」が背後にあるわけではない。時計こそが、1秒なのだ。NIST-F2と、パリのSYRTE-FO2、テディントンのNPL-CsF2、ブラウンシュヴァイクのPTB-CSF2といった世界各地の同等の時計たちが10の16乗分の数単位で不一致を示したとき、パリにある国際的な計時機関がそれらの出力を平均し、報告された不確かさに基づいて重み付けを行う。その重み付き平均が、Coordinated Universal Time（協定世界時）となる。かつて1秒の根拠であった地球の自転は、今や時計に照らして修正される対象となり、時折挿入される「うるう秒」によって調整されている。

未だ知られざる領域

原子泉時計がいつまで首位の座を保てるかはわからない。optical lattice clock（光格子時計）と呼ばれる新しい系統の装置は、レーザー光の定在波の中にストロンチウムやイッテルビウムの原子を捕捉し、セシウムのマイクロ波による刻みよりも数万倍高い光周波数でそれらを観測する。その最高峰はすでに、10の18乗分の数単位の精度で時を刻んでおり、これは最高性能の原子泉よりも約100倍も鋭い。2030年までには、光遷移に基づいたSI秒の再定義が行われることが広く予想されている。

それらをいかにして比較すべきか、その方法も完全には判明していない。10の18乗という精度においては、一般相対性理論はもはや単なる補正要素ではなく、不一致の主要な原因となる。重力が時間を遅延させるため、高度が1センチメートル異なる二つの時計は、測定可能なほど異なる速さで時を刻む。こうした時計を大陸間で同期させるには、現在知られているよりもはるかに正確に現地のジオイドを把握しなければならない。時計は今や、地球の形を測定し始めているのだ。

そして、それらが依拠している定数が、果たして本当に「定数」であるのかもわかっていない。現在、いくつかのグループが、異なる元素を用いた光格子時計を年単位で比較し、微細構造定数 α に変動がないかを探っている。もし α が年間で10の17乗分の1でも変化しているならば、時計はいずれそれを察知することだろう。

3億年で1秒しか狂わない装置は、ある意味では計量学の勝利である。しかし別の意味では、それは奇妙で再帰的な存在でもある。自らが存在する宇宙が、じっと静止してはいないかもしれないということに気づけるほど、精密になりすぎた装置なのだから。

지구에서 가장 정확한 시계는 단 1초의 오차가 생기는 데 3억 년이 걸린다. 심우주만큼이나 차가운 한 움큼의 세슘 원자를 공중으로 1미터가량 던져 올리고, 그것들이 떨어지며 내는 울림에 귀를 기울이는 방식으로 작동한다.

콜로라도주 볼더에 위치한 National Institute of Standards and Technology 캠퍼스의 창문 없는 실험실에는 냉장고 크기만 한 스테인리스강 원통 하나가 놓여 있는데, 이 장치는 거의 아무런 일도 하지 않는다. 내부의 고진공 상태에서 세슘-133 원자 구름은 서로 교차하는 6개의 레이저 빔에 의해 성간 공간보다 더 차가운 온도인 약 1마이크로켈빈까지 냉각되며, 이후 동일한 레이저 빔의 주파수를 미세하게 조정하면 원자 구름은 위로 슬쩍 밀려 올라간다. 이 원자 구름은 약 1미터가량 솟아올랐다가 중력의 영향으로 속도가 줄어들며 멈추어 선 뒤 다시 떨어진다. 올라가고 내려오는 과정에서 원자 구름은 초당 9,192,631,770번 진동하는 구리 마이크로파 공진기를 통과한다. 이 기계의 이름은 NIST-F2다. 만약 공룡이 멸종하던 시기에 이 시계의 태엽을 감아 작동시켰다면, 지금까지 발생한 오차는 고작 1초 남짓일 것이다.

이 시계는 물리학의 가장 오래된 과업 중 하나인 '지금이 몇 시인지 이전 사람보다 더 정확하게 알려주는 일'에서 현재 세계 챔피언 자리를 지키고 있다.

이 원자 분수(fountain)를 작동시키는 비결은 바로 인내심이다. 모든 원자시계는 동일한 대상을 측정한다. 즉, 특정 동위원소의 전자가 두 초미세 상태 사이를 오갈 때 발생하는 고정된 주파수를 재는 것이다. caesium-133의 경우, 그 주파수는 국제적 합의에 의해 정확히 9,192,631,770헤르츠로 정해져 있다. 1950년대와 60년대에 쓰였던 구식 빔 시계의 문제는 원자들이 초당 수백 미터의 속도로 측정 구역을 스쳐 지나갔다는 점이다. 측정에 주어진 시간은 단 몇 밀리초에 불과했다. 파동을 더 오래 조사할수록 그 주파수를 더 정밀하게 고정할 수 있다는 사실은 푸리에 분석의 기본 원리다. 원자 분수 방식은 이 조사 시간을 거의 1초에 가깝게 늘려 놓았다.

재커라이어스, 램지, 그리고 차가운 구름

이 아이디어는 하드웨어보다 먼저 탄생했다. 1953년, MIT의 물리학자 Jerrold Zacharias는 열적 세슘 원자들을 수직으로 쏘아 올려 하나의 마이크로파 공진기를 올라갈 때 한 번, 내려올 때 한 번, 총 두 번 통과하게 하자는 제안을 했다. 이 기하학적 구조는 그의 동료 Norman Ramsey가 개발한 기술을 우아하게 응용한 것이었다. 램지는 1949년에 두 번의 측정 펄스를 시간적으로 분리하는 것이 하나의 연속적인 펄스를 사용하는 것보다 훨씬 더 날카로운 공명을 얻을 수 있음을 입증했으며, 이 업적으로 결국 1989년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

하지만 재커라이어스의 분수는 실패했다. 열원자들은 아무리 느린 것이라 해도 너무 뜨거웠다. 원자 구름은 팽창했고, 가장 느린 원자들은 다시 공진기를 통과해 떨어지기도 전에 더 빠른 이웃 원자들과 부딪혀 옆으로 튕겨 나갔다. 이 프로젝트는 조용히 폐기되었다.

이 구상을 되살리기 위해서는 40년의 세월과 새로운 기술이 더 필요했다. 1980년대에 Steven Chu와 동료들은 레이저를 이용해 중성 원자의 속도를 줄이는 방법을 찾아냈다. 공명 주파수보다 약간 낮게 조정된 광자로 원자를 타격하면, 빔을 향해 움직이는 원자는 도플러 효과로 인해 빛이 흡수 주파수로 편이되는 것을 보게 된다. 80년대 후반에 이르러서는 세슘 구름을 마이크로켈빈 온도로 냉각하여 자기 광학 트랩 속에 거의 정지된 상태로 붙들어 둘 수 있게 되었다. 1991년, 파리 천문대의 시간-주파수 연구소에 있던 Christophe Salomon과 앙드레 클레롱은 세계 최초로 레이저 냉각 방식을 적용한 세슘 분수 시계를 제작했다. 마침내 충분히 차가운 원자를 통해 재커라이어스의 설계가 실현된 것이다.

1초라는 정의

이 모든 과정이 중요한 이유는 이제 '초'가 더 이상 세상이 측정하기로 합의한 대상이 아니기 때문이다. 그것은 세상이 정의하기로 합의한 무엇이다. 1967년 13th General Conference on Weights and Measures는 지구 자전의 분율에 기초한 낡은 천문학적 초를 폐기했다. 지구 자전은 미세하게 흔들리기 때문이다. 회의는 그 자리에 수치를 대신 채워 넣었다. 당시 선언된 바에 따르면, 1초란 바닥 상태에 있는 세슘-133 원자가 절대 영도와 자기장 제로의 정지 상태에서 두 초미세 에너지 준위 사이를 전이할 때 방출되는 복사선이 9,192,631,770번 진동하는 시간이다.

이것이 현재 1초의 실체다. 시계들이 근사치로 다가가려 애쓰는, 이보다 더 '참된' 별개의 초란 존재하지 않는다. 시계가 곧 초다. NIST-F2와 파리의 SYRTE-FO2, 테딩턴의 NPL-CsF2, 브라운슈바이크의 PTB-CSF2 등 전 세계의 동급 시계들이 10^16분의 몇 단위에서 서로 차이를 보일 때, 파리의 국제 시간 관리자들은 각 출력값의 평균을 내고 명시된 불확도에 따라 가중치를 부여한다. 그렇게 산출된 가중 평균이 바로 Coordinated Universal Time가 된다. 과거에 초를 구성하던 요소였던 지구의 자전은 이제 가끔씩 추가되는 윤초를 통해 시계의 기준에 맞춰 보정되는 대상일 뿐이다.

우리가 아직 알지 못하는 것들

분수 시계가 언제까지 왕좌를 지킬지는 알 수 없다. optical lattice clock이라는 새로운 장치들은 스트론튬이나 이테르븀 원자를 레이저 빛의 정지파에 가두고, 세슘의 마이크로파 진동보다 수만 배 더 높은 광학 주파수에서 원자 상태를 측정한다. 이 중 가장 뛰어난 시계들은 이미 10^18분의 몇 단위의 정확도를 유지하고 있는데, 이는 최고 성능의 분수 시계보다 약 100배 더 정밀한 수치다. 2030년 이전에 광학 전이를 중심으로 SI 초의 정의가 재정립될 것이라는 예측이 지배적이다.

우리는 이 시계들을 서로 비교하는 방법조차 온전히 알지 못한다. 10^18 수준의 정확도에 이르면 일반 상대성 이론은 더 이상 미세한 보정 수치가 아니라, 오차를 발생시키는 지배적인 원인이 된다. 고도가 단 1센티미터만 차이 나도 중력이 시간을 지연시키기 때문에 두 시계는 측정 가능한 수준으로 서로 다르게 흐른다. 대륙을 가로질러 이런 시계들의 시간을 맞추려면 현재의 그 누구보다도 국지적 지오이드를 더 잘 파악하고 있어야 한다. 이제 시계는 지구의 형상을 측정하기 시작했다.

또한 우리는 이 시계들이 의존하는 상수들이 과연 일정한지도 알지 못한다. 현재 몇몇 연구팀은 서로 다른 원소를 사용하는 광학 시계들을 해마다 비교하며 미세 구조 상수의 표동을 추적하고 있다. 만약 미세 구조 상수인 알파(α)가 연간 10^17분의 1이라도 변한다면, 이 시계들은 결국 그 변화를 포착해낼 것이다.

3억 년에 1초의 오차가 생기는 기계는 어떤 의미에서 계측학의 승리다. 그러나 다른 한편으로 그것은 기묘하고도 자기 참조적인 장치이기도 하다. 자신이 속한 우주가 결코 정지해 있지 않을지도 모른다는 사실을 눈치챌 수 있을 만큼 정밀한 기구이기 때문이다.

Jam paling akurat di Bumi membutuhkan 300 juta tahun hanya untuk meleset satu detik. Cara kerjanya: melontarkan segenggam atom sesium setinggi satu meter ke udara—sedingin kedalaman antariksa—lalu menyimak dentingnya saat luruh kembali ke bawah.

Di sebuah laboratorium tanpa jendela di kampus National Institute of Standards and Technology di Boulder, Colorado, sebuah silinder baja tahan karat yang berukuran kira-kira sebesar lemari es hampir tidak melakukan apa-apa. Di dalamnya, dalam ruang hampa udara yang pekat, sekumpulan atom sesium-133 didinginkan oleh enam berkas laser yang saling bersilangan hingga suhu sekitar satu mikrokelvin — lebih dingin daripada ruang antarbintang — lalu didorong ke atas melalui sedikit perubahan penalaan dari berkas laser yang sama. Kumpulan atom itu membumbung setinggi sekitar satu meter, melambat di bawah pengaruh gravitasi, berhenti, lalu jatuh kembali. Saat naik dan saat turun, ia melewati sebuah rongga gelombang mikro tembaga yang bergetar pada frekuensi 9.192.631.770 siklus per detik. Mesin ini bernama NIST-F2. Jika Anda mulai menyalakan detaknya saat kepunahan dinosaurus, jam ini baru akan meleset sekitar satu detik sekarang.

Inilah juara dunia saat ini untuk salah satu tugas tertua dalam fisika: memberitahu Anda pukul berapa sekarang, dengan lebih presisi daripada yang pernah bisa dilakukan sebelumnya.

Trik yang membuat jam air mancur ini bekerja adalah kesabaran. Setiap jam atom mengukur hal yang sama — frekuensi tetap di mana elektron dalam isotop tertentu berpindah di antara dua keadaan hiperhalus. Pada caesium-133, frekuensi tersebut, berdasarkan ketetapan internasional, adalah tepat 9.192.631.770 hertz. Masalah pada jam berkas model lama dari tahun 1950-an dan 60-an adalah atom-atom melesat melewati area pengukuran dengan kecepatan beberapa ratus meter per detik. Anda hanya memiliki waktu beberapa milidetik. Semakin lama Anda dapat menginterogasi sebuah gelombang, semakin presisi Anda dapat menentukan frekuensinya; itu hanyalah prinsip dasar analisis Fourier. Sebuah jam air mancur memperpanjang waktu interogasi tersebut hingga hampir satu detik penuh.

Zacharias, Ramsey, dan awan dingin

Gagasannya jauh lebih tua daripada perangkat kerasnya. Pada tahun 1953, seorang fisikawan MIT bernama Jerrold Zacharias mengusulkan untuk melontarkan atom sesium termal secara vertikal sehingga mereka melewati satu rongga gelombang mikro sebanyak dua kali, sekali saat naik dan sekali saat jatuh. Geometri tersebut merupakan penerapan yang elegan dari teknik yang dikembangkan oleh koleganya, Norman Ramsey, yang pada tahun 1949 telah menunjukkan bahwa memisahkan dua pulsa interogasi dalam waktu memberikan resonansi yang jauh lebih tajam daripada satu pulsa kontinu — sebuah hasil yang akhirnya membawa Ramsey memenangkan sebagian Hadiah Nobel 1989.

Air mancur Zacharias gagal. Atom-atom termal, bahkan yang lambat sekalipun, terlalu panas; kumpulannya memuai dan atom-atom yang paling lambat terlempar ke samping oleh tetangganya yang lebih cepat sebelum sempat jatuh kembali melewati rongga tersebut. Proyek tersebut pun dihentikan diam-diam.

Dibutuhkan empat dekade lagi dan sebuah teknologi baru untuk menghidupkannya kembali. Pada 1980-an, Steven Chu dan rekan-rekannya menemukan cara menggunakan laser untuk mengerem atom netral, menghujani mereka dengan foton yang ditala sedikit di bawah resonansi sehingga atom yang bergerak menuju berkas laser melihat cahaya yang bergeser Doppler ke arah penyerapan. Menjelang akhir 80-an, seseorang sudah bisa mendinginkan sekumpulan sesium hingga suhu mikro-kelvin dan menahannya hampir tak bergerak dalam perangkap magneto-optik. Pada tahun 1991, Christophe Salomon dan André Clairon di laboratorium waktu dan frekuensi Observatorium Paris membangun air mancur sesium berpendingin laser pertama yang berhasil bekerja. Desain Zacharias akhirnya terwujud dengan atom yang cukup dingin.

Makna dari satu detik

Semua ini penting karena detik bukan lagi sesuatu yang disepakati dunia untuk diukur. Detik adalah sesuatu yang telah disepakati dunia untuk didefinisikan. Pada tahun 1967, 13th General Conference on Weights and Measures membuang standar detik astronomi lama — sepersekian dari rotasi Bumi yang tidak stabil — dan menggantinya dengan sebuah hitungan. Satu detik, demikian konferensi tersebut menyatakan, adalah 9.192.631.770 osilasi dari radiasi yang dipancarkan ketika atom sesium-133 bertransisi di antara dua tingkat hiperhalus dari keadaan dasarnya, dalam kondisi diam, pada medan magnet nol, di suhu nol mutlak.

Itulah makna satu detik sekarang. Tidak ada detik lain yang lebih nyata di baliknya yang coba dihampiri oleh jam-jam tersebut. Jam-jam itulah sang detik itu sendiri. Ketika NIST-F2 dan rekan-rekannya di seluruh dunia — SYRTE-FO2 di Paris, NPL-CsF2 di Teddington, PTB-CSF2 di Braunschweig — berselisih beberapa bagian dalam 10^16, para penjaga waktu internasional di Paris merata-ratakan keluarannya, memberinya bobot berdasarkan ketidakpastian yang dinyatakan, dan rata-rata berbobot itu menjadi Coordinated Universal Time. Rotasi Bumi, bahan dasar pembentuk detik di masa lalu, kini dikoreksi terhadap jam-jam tersebut dengan detik kabisat yang sesekali ditambahkan.

Apa yang masih belum kita ketahui

Kita tidak tahu berapa lama lagi jam air mancur akan memegang posisi puncak. Keluarga perangkat yang lebih baru, optical lattice clock, memerangkap atom stronsium atau iterbium dalam gelombang berdiri dari cahaya laser dan menginterogasinya pada frekuensi optik yang puluhan ribu kali lebih tinggi daripada detak gelombang mikro sesium. Jam-jam terbaik di antaranya sudah mampu menjaga waktu hingga beberapa bagian dalam 10^18, sekitar seratus kali lebih tajam daripada jam air mancur terbaik. Redefinisi detik SI berdasarkan transisi optik diperkirakan secara luas akan terjadi sebelum tahun 2030.

Kita belum sepenuhnya tahu cara membandingkannya. Pada tingkat akurasi 10^18, relativitas umum bukan lagi sekadar koreksi; ia menjadi sumber utama perbedaan. Dua buah jam yang terpisah jarak ketinggian satu sentimeter berdetak dengan kecepatan yang berbeda secara terukur, karena gravitasi mendilatasi waktu. Untuk menyinkronkan jam-jam tersebut di seluruh benua, Anda harus memahami geoid lokal lebih baik daripada siapa pun saat ini. Jam-jam ini telah mulai mengukur bentuk Bumi.

Dan kita tidak tahu apakah konstanta-konstanta yang menjadi sandaran mereka benar-benar konstan. Beberapa kelompok kini membandingkan jam optik berbasis elemen yang berbeda, dari tahun ke tahun, mencari pergeseran dalam konstanta struktur halus. Jika α berubah bahkan hanya satu bagian dalam 10^17 per tahun, jam-jam ini pada akhirnya akan mendeteksinya.

Sebuah mesin yang meleset satu detik dalam 300 juta tahun, di satu sisi, merupakan kejayaan metrologi. Di sisi lain, ia adalah sesuatu yang aneh dan rekursif: sebuah peralatan yang cukup presisi untuk menyadari bahwa alam semesta yang dihuninya mungkin tidak sedang diam tak bergeming.

Die präzisesten Uhren der Erde bräuchten 300 Millionen Jahre, um auch nur eine einzige Sekunde abzuweichen. Sie funktionieren, indem sie eine Handvoll Cäsiumatome einen Meter hoch in die Luft werfen, kalt wie die Tiefen des Alls, und ihrem Klingen beim Herabfallen lauschen.

In einem fensterlosen Labor auf dem Campus des National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, tut ein Edelstahlzylinder von der Größe eines Kühlschranks fast nichts. Im Inneren, in einem Hochvakuum, wird eine Wolke aus Cäsium-133-Atomen von sechs gekreuzten Laserstrahlen auf etwa ein Mikrokelvin abgekühlt — kälter als der interstellare Raum — und dann durch eine leichte Verstimmung ebendieser Strahlen nach oben angestoßen. Die Wolke steigt etwa einen Meter auf, wird durch die Schwerkraft langsamer, verharrt und fällt zurück. Auf dem Weg nach oben und auf dem Weg nach unten passiert sie einen kupfernen Mikrowellen-Resonator, der mit 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde summt. Die Maschine heißt NIST-F2. Hätte man sie zum Zeitpunkt des Aussterbens der Dinosaurier in Gang gesetzt, ginge sie heute um etwa eine Sekunde falsch.

Sie ist der amtierende Weltmeister in einer der ältesten Aufgaben der Physik: uns präziser als jeder Vorgänger zu sagen, wie spät es ist.

Der Trick, der die Fontäne funktionieren lässt, ist Geduld. Jede Atomuhr misst dasselbe — die feste Frequenz, mit der Elektronen in einem bestimmten Isotop zwischen zwei Hyperfeinstrukturzuständen umklappen. In caesium-133 beträgt diese Frequenz nach internationalem Beschluss exakt 9.192.631.770 Hertz. Das Problem mit den älteren Strahluhren der 1950er und 60er Jahre war, dass die Atome mit einigen hundert Metern pro Sekunde am Messbereich vorbeiströmten. Man hatte nur Millisekunden Zeit. Je länger man eine Welle abfragen kann, desto präziser lässt sich ihre Frequenz bestimmen; das ist schlichte Fourier-Analyse. Eine Fontäne dehnt diese Abfrage auf fast eine volle Sekunde aus.

Zacharias, Ramsey und die kalte Wolke

Die Idee ist älter als die Hardware. Im Jahr 1953 schlug der MIT-Physiker Jerrold Zacharias vor, thermische Cäsiumatome vertikal hochzuwerfen, sodass sie einen einzelnen Mikrowellen-Resonator zweimal passierten, einmal im Aufstieg und einmal im Fall. Die Geometrie war eine elegante Anwendung einer Technik, die sein Kollege Norman Ramsey entwickelt hatte. Ramsey hatte 1949 gezeigt, dass die zeitliche Trennung der beiden Abfrageimpulse eine weitaus schärfere Resonanz lieferte als ein einzelner kontinuierlicher Impuls — ein Ergebnis, das Ramsey schließlich einen Anteil am Nobelpreis von 1989 einbrachte.

Zacharias' Fontäne scheiterte. Thermische Atome waren selbst in langsamer Form noch zu heiß; die Wolke dehnte sich aus, und die langsamsten Atome wurden von ihren schnelleren Nachbarn zur Seite gestoßen, bevor sie wieder durch den Resonator fallen konnten. Das Projekt wurde stillschweigend eingestellt.

Es dauerte vier weitere Jahrzehnte und bedurfte einer neuen Technologie, um es zu retten. In den 1980er Jahren entwickelten Steven Chu und andere Methoden, um neutrale Atome mittels Lasern abzubremsen, indem sie sie mit Photonen beschossen, die knapp unterhalb der Resonanzfrequenz lagen, sodass ein auf den Strahl zufliegendes Atom das Licht durch den Doppler-Effekt in die Absorption verschoben sah. Ende der 80er Jahre war es möglich, eine Cäsiumwolke auf Mikrokelvin-Temperaturen zu kühlen und sie in einer magneto-optischen Falle fast stationär zu halten. 1991 bauten Christophe Salomon und André Clairon im Zeit- und Frequenzlabor des Pariser Observatoriums die erste funktionierende lasergekühlte Cäsiumfontäne. Zacharias' Entwurf, endlich mit ausreichend kalten Atomen.

Was eine Sekunde ist

All dies ist von Bedeutung, weil die Sekunde nicht länger etwas ist, dessen Messung die Welt vereinbart. Sie ist etwas, das die Welt zu definieren vereinbart hat. Im Jahr 1967 verwarf die 13th General Conference on Weights and Measures die alte astronomische Sekunde — einen Bruchteil der Erdrotation, die schwankt — und ersetzte sie durch eine Zählung. Eine Sekunde, so erklärte die Konferenz, ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cäsium-133 entspricht, im Ruhezustand, bei einem Magnetfeld von Null und am absoluten Nullpunkt.

Das ist es, was eine Sekunde heute ist. Es gibt keine separate, wahrere Sekunde dahinter, der sich die Uhren annähern. Die Uhren sind die Sekunde. Wenn NIST-F2 und ihre Gegenstücke auf der ganzen Welt — SYRTE-FO2 in Paris, NPL-CsF2 in Teddington, PTB-CSF2 in Braunschweig — um einige Teile in 10^16 voneinander abweichen, bilden die internationalen Zeithüter in Paris den Durchschnitt ihrer Ergebnisse, gewichten sie nach ihrer angegebenen Unsicherheit, und dieses gewichtete Mittel wird zur Coordinated Universal Time. Die Erdrotation, jenes Element, aus dem die Sekunde einst bestand, wird heute mit gelegentlichen Schaltsekunden an die Uhren angepasst.

Was wir noch immer nicht wissen

Wir wissen nicht, wie lange Fontänen den Spitzenplatz halten werden. Eine neuere Familie von Geräten, die optical lattice clock, fängt Strontium- oder Ytterbiumatome in einer stehenden Welle aus Laserlicht ein und fragt sie bei optischen Frequenzen ab, die zehntausendmal höher liegen als das Mikrowellen-Ticken des Cäsiums. Die besten unter ihnen halten die Zeit bereits auf einige Teile in 10^18 genau, etwa hundertmal schärfer als die beste Fontäne. Eine Neudefinition der SI-Sekunde auf Basis eines optischen Übergangs wird allgemein vor 2030 erwartet.

Wir wissen noch nicht in vollem Umfang, wie wir sie vergleichen sollen. Bei einer Genauigkeit von 10^18 ist die allgemeine Relativitätstheorie keine bloße Korrektur mehr; sie ist die dominierende Quelle für Abweichungen. Zwei Uhren, die nur einen Zentimeter Höhenunterschied aufweisen, ticken messbar unterschiedlich schnell, weil die Schwerkraft die Zeit dehnt. Um solche Uhren über Kontinente hinweg zu synchronisieren, muss man das lokale Geoid besser kennen, als es derzeit irgendjemand tut. Die Uhren haben begonnen, die Form der Erde zu vermessen.

Und wir wissen nicht, ob die Konstanten, auf die sie sich verlassen, tatsächlich konstant sind. Einige Gruppen vergleichen nun Jahr für Jahr optische Uhren, die auf unterschiedlichen Elementen basieren, um nach einer Drift in der Feinstrukturkonstante zu suchen. Wenn sich α auch nur um einen Teil in 10^17 pro Jahr ändert, werden die Uhren es schließlich bemerken.

Eine Maschine, die in 300 Millionen Jahren eine Sekunde verliert, ist in gewisser Hinsicht ein Triumph der Metrologie. In anderer Hinsicht ist sie eine seltsame und rekursive Angelegenheit: ein Apparat, der präzise genug ist, um festzustellen, dass das Universum, in dem er sich befindet, möglicherweise nicht stillhält.

Os relógios mais precisos da Terra levariam 300 milhões de anos para variar um único segundo. Funcionam lançando um punhado de átomos de césio a um metro de altura, frios como o espaço profundo, e escutando o seu ressoar na descida.

Num laboratório sem janelas no campus do National Institute of Standards and Technology em Boulder, no Colorado, um cilindro de aço inoxidável aproximadamente do tamanho de um refrigerador quase nada faz. No seu interior, num vácuo profundo, uma nuvem de átomos de césio-133 é arrefecida por seis feixes de laser cruzados até cerca de um microkelvin — mais frio do que o espaço interestelar — e depois impulsionada para cima através de uma ligeira dessintonização desses mesmos feixes. A nuvem sobe cerca de um metro, abranda sob a força da gravidade, para e cai de volta. Na subida e na descida, passa por uma cavidade de micro-ondas de cobre que vibra a 9.192.631.770 ciclos por segundo. A máquina chama-se NIST-F2. Se a tivesse posto a marcar o tempo no momento da extinção dos dinossauros, estaria agora atrasada cerca de um segundo.

É a atual campeã mundial numa das tarefas mais antigas da física: dizer, com maior precisão do que a pessoa anterior, que horas são.

O truque que faz a fonte funcionar é a paciência. Todo relógio atómico mede a mesma coisa — a frequência fixa na qual os eletrões num isótopo específico alternam entre dois estados hiperfinos. No caesium-133, essa frequência é, por decreto internacional, de exatamente 9.192.631.770 hertz. O problema com os antigos relógios de feixe das décadas de 1950 e 60 era que os átomos passavam pela região de medição a algumas centenas de metros por segundo. Tinha-se milissegundos. Quanto mais tempo se puder interrogar uma onda, com mais precisão se pode determinar a sua frequência; isto é apenas análise de Fourier. Uma fonte estende a interrogação para quase um segundo completo.

Zacharias, Ramsey e a nuvem fria

A ideia é mais antiga do que o hardware. Em 1953, um físico do MIT chamado Jerrold Zacharias propôs lançar átomos de césio térmico verticalmente, de modo que passassem por uma única cavidade de micro-ondas duas vezes, uma a subir e outra a cair. A geometria era uma aplicação elegante de uma técnica desenvolvida pelo seu colega Norman Ramsey, que em 1949 demonstrara que separar os dois pulsos de interrogação no tempo proporcionava uma ressonância muito mais nítida do que um pulso contínuo — um resultado que acabou por valer a Ramsey uma parte do Prémio Nobel de 1989.

A fonte de Zacharias falhou. Átomos térmicos, mesmo os lentos, eram demasiado quentes; a nuvem expandia-se e os átomos mais lentos eram desviados lateralmente pelos seus vizinhos mais rápidos antes de poderem cair de volta através da cavidade. O projeto foi discretamente abandonado.

Foram necessárias mais quatro décadas e uma nova tecnologia para o resgatar. Na década de 1980, Steven Chu e outros descobriram como usar lasers para travar átomos neutros, bombardeando-os com fotões sintonizados ligeiramente abaixo da ressonância, de modo que um átomo que se movesse em direção ao feixe visse a luz com o efeito Doppler deslocado para a absorção. No final dos anos 80, era possível arrefecer uma nuvem de césio a temperaturas de microkelvin e mantê-la quase estacionária numa armadilha magneto-ótica. Em 1991, Christophe Salomon e André Clairon, no laboratório de tempo e frequência do Observatório de Paris, construíram a primeira fonte de césio funcional arrefecida por laser. O design de Zacharias, finalmente, com átomos suficientemente frios.

O que é um segundo

Tudo isto importa porque o segundo já não é algo que o mundo concorda em medir. É algo que o mundo concordou em definir. Em 1967, a 13th General Conference on Weights and Measures descartou o antigo segundo astronómico — uma fração da rotação da Terra, que é irregular — e substituiu-o por uma contagem. Um segundo, declarou a conferência, são 9.192.631.770 oscilações da radiação emitida quando um átomo de césio-133 transita entre os dois níveis hiperfinos do seu estado fundamental, em repouso, num campo magnético zero, no zero absoluto.

É isso que um segundo é agora. Não existe um segundo separado, mais verdadeiro, por trás dele, que os relógios estejam a aproximar. Os relógios são o segundo. Quando o NIST-F2 e os seus pares em todo o mundo — SYRTE-FO2 em Paris, NPL-CsF2 em Teddington, PTB-CSF2 em Braunschweig — discordam em algumas partes em 10^16, os cronometristas internacionais em Paris fazem a média dos seus resultados, ponderam-nos pela incerteza declarada, e essa média ponderada torna-se o Coordinated Universal Time. A rotação da Terra, aquilo de que o segundo costumava ser feito, é agora corrigida em relação aos relógios com o ocasional segundo bissexto.

O que ainda não sabemos

Não sabemos por quanto tempo as fontes manterão o primeiro lugar. Uma família mais recente de dispositivos, o optical lattice clock, aprisiona átomos de estrôncio ou itérbio numa onda estacionária de luz laser e interroga-os a frequências óticas dezenas de milhares de vezes superiores ao tique-taque de micro-ondas do césio. Os melhores já marcam o tempo com uma precisão de algumas partes em 10^18, cerca de cem vezes mais nítida do que a melhor fonte. Uma redefinição do segundo SI em torno de uma transição ótica é amplamente esperada antes de 2030.

Não sabemos totalmente como compará-los. Com uma precisão de 10^18, a relatividade geral já não é uma correção; é a fonte dominante de discordância. Dois relógios separados por um centímetro de altitude batem a ritmos mensuravelmente diferentes, porque a gravidade dilata o tempo. Para sincronizar tais relógios entre continentes, é necessário conhecer o geoide local melhor do que qualquer pessoa conhece atualmente. Os relógios começaram a medir a forma da Terra.

E não sabemos se as constantes em que eles se baseiam são constantes. Alguns grupos comparam agora relógios óticos baseados em diferentes elementos, ano após ano, procurando desvios na constante de estrutura fina. Se α mudar apenas uma parte em 10^17 por ano, os relógios acabarão por percebê-lo.

Uma máquina que perde um segundo em 300 milhões de anos é, num certo sentido, um triunfo da metrologia. Noutro sentido, é algo estranho e recursivo: um aparelho suficientemente preciso para notar que o universo que habita pode não estar imóvel.

Atomic Fountain Clocks - 300 Million Year Accuracy