Waktu bukan lagi sekadar pasir dalam jam pasir. Kami membutuhkan yang lebih baik.
Abad ke-17 memberi kita jam kakek, ayunan pendulum yang mengatur akurasi selama berabad-abad. Matteo Brunelli di Collège de France dan timnya melihat desain klasik ini. Kemudian mereka mengajukan pertanyaan rumit. Dapatkah ia bertahan dalam mekanika kuantum?
Ternyata bisa. Tapi itu tidak terlihat seperti barang antik di lorong Anda.
Centang Tiga Bagian
Setiap jam kakek memiliki tiga nyali.
Pertama, pendulum. Itu berayun ke kiri dan ke kanan, menentukan tanda centang.
Kedua, bobotnya. Mereka jatuh menggunakan gravitasi, memberikan energi pada pendulum untuk terus berjalan.
Ketiga, pelarian. Ini adalah sistem saraf. Ini mengubah goyangan pendulum menjadi gerakan jarum jam. Ini memberi sedikit tendangan pada pendulum. Tanpanya, gesekan akan mematikan gerakan. Pelepasan memastikan setiap ayunan memiliki ukuran yang sama.
Tim Brunelli tidak hanya membayangkan versi kuantum. Mereka membangun model matematika untuk itu.
Berikut cetak birunya:
Sebuah rongga. Dua cermin saling berhadapan. Yang satu tetap, yang lainnya berosilasi.
Sebuah atom berada di antara mereka. Atom ini mempunyai tiga tingkat energi. Fluktuasi suhu di dalam ruangan menyebabkan atom berpindah antar keadaan tersebut. Saat ia melompat, ia mungkin mengeluarkan foton. Foton itu memantul di antara cermin. Tekanan ringan ini mendorong salah satu cermin. Bolak-balik. Bolak-balik.
Ini meniru penurunan berat badan.
Tapi bagaimana dengan pelariannya? Di situlah hal menjadi aneh.
Atom itu sendiri adalah keterlepasan. Ia bergerak melalui keadaan energinya berulang kali. Siklus ini memaksa serangkaian tik dan tok. Brunelli mengklaim ini adalah mekanisme pelepasan terkecil yang mungkin dilakukan secara fisik. Perhitungan mereka menunjukkan bahwa jika Anda menyetel sistem dengan benar, perangkat kuantum ini akan memiliki ritme yang stabil. Dapat diandalkan. Tepat. Sama seperti kuningan dan kayu seharusnya.
Menembus Batas
Ini bukan hanya trik ruang tamu teoretis. Jam baru ini melanggar aturan yang sudah ada.
Jam otonom di masa lalu mengalami kesulitan. Mereka kurang akurat karena osilasinya tidak merata sempurna. Mereka mengandalkan kontrol eksternal seperti laser. Desain Brunelli bersifat otonom. Ia beroperasi seperti mesin termodinamika yang berdiri sendiri. Tidak diperlukan laser untuk menjaganya tetap stabil.
Lebih penting lagi, hal ini menghancurkan hubungan ketidakpastian termodinamika. Ini adalah batasan ketat mengenai seberapa akurat sebuah jam relatif terhadap entropi yang dihasilkannya. Akurasi biasanya membutuhkan ireversibilitas—usaha untuk berjalan mundur. Jam kuantum baru berhasil menjadi sangat akurat dengan tetap menghormati hukum fisika ini. Ini memaksimalkan ireversibilitas untuk ketepatan waktu yang optimal.
Mengapa Itu Penting
Jadi mengapa membuat jam dari cermin dan atom tunggal?
Sreenath Manikandan dari Tata Institute of Fundamental Research berpendapat ini adalah berita besar. Dia berpendapat bahwa jam otonom adalah bentuk penunjuk waktu yang paling murni. Mereka tidak meminjam akurasi dari perangkat lain. Mereka menciptakannya.
Bagaimana lagi kita memahami struktur waktu jika kita tidak bisa membangunnya dari awal?
Memahami mekanisme ini membantu menyelidiki fisika secara mendalam. Khususnya, gravitasi di dunia kuantum. Jika kita bisa menyempurnakan jam ini, kita mungkin melihat bagaimana gravitasi berinteraksi dengan objek kuantum. Pemahaman mendalam tentang cara kerja jam sangat diharapkan. Pekerjaan ini memberikan kemajuan besar menuju tujuan tersebut.
Jalan ke Depan
Bagian-bagiannya sebagian besar ada di sini. Rongga kecil dan foton? Tarif laboratorium umum.
Namun menyatukannya ke dalam mekanisme pelarian yang berfungsi? Itu sulit. Kebaruan membuatnya menantang secara teknis. Hal ini membutuhkan ketelitian yang tidak ada sebelumnya.
Brunelli sangat optimis. Membangunnya bukanlah hal yang tidak masuk akal. Tapi itu akan membutuhkan kerja keras. Kami punya desainnya. Kami punya teorinya.
Sekarang kita hanya perlu menangkap kutunya.
