સિંગાપોરે બનાવી દુનિયાની સૌથી ચોક્કસ ઘડિયાળ, 260 અબજ વર્ષમાં માત્ર 1 સેકન્ડનો ફરક પડશે
સમયને માપવા માટે આપણે ઘડિયાળનો ઉપયોગ કરીએ છીએ. સામાન્ય ઘડિયાળમાં એક સેકન્ડનો નાનો એવો ફેરફાર પણ કદાચ આપણને ખબર પડતો નથી. પરંતુ વૈજ્ઞાનિકો માટે સમયની ગણતરીમાં એક સેકન્ડનો અતિસૂક્ષ્મ ભાગ પણ ખૂબ મહત્વનો બની શકે છે. ખાસ કરીને GPS, સેટેલાઇટ નેવિગેશન, ટેલિકોમ્યુનિકેશન અને અત્યાધુનિક વૈજ્ઞાનિક પ્રયોગોમાં સમયની ચોકસાઈ ખૂબ જરૂરી હોય છે.
હવે સિંગાપોરના વૈજ્ઞાનિકોએ એવી એટોમિક ઘડિયાળ વિકસાવી છે, જે સમય માપવાની ચોકસાઈમાં નવો રેકોર્ડ બનાવવાનો દાવો કરે છે. આ ઘડિયાળ લ્યુટેશિયમ (Lutetium) નામના તત્વના એક આયનનો ઉપયોગ કરે છે અને તેની ચોકસાઈ એટલી વધારે છે કે ગણતરી પ્રમાણે તેમાં 260 અબજ વર્ષમાં માત્ર એક સેકન્ડનો ફરક પડી શકે છે. સંશોધન Nature જર્નલમાં પ્રકાશિત થયું છે.
19 દશાંશ સુધી સમય માપવાની ક્ષમતા
સિંગાપોરની Centre for Quantum Technologies (CQT) અને National University of Singaporeના સંશોધકોએ તૈયાર કરેલી આ ઓપ્ટિકલ એટોમિક ઘડિયાળ સમયને 19 દશાંશ સ્થાન સુધી માપવામાં સક્ષમ હોવાનું સંશોધનમાં જણાવાયું છે.
સરળ ભાષામાં સમજીએ તો ઘડિયાળની ચોકસાઈમાં દશાંશ પછીના 19મા અંક સુધીના ફેરફારને પણ માપી શકાય છે. સંશોધકોએ ઘડિયાળની ચોકસાઈનો માત્ર અંદાજ લગાવ્યો નથી, પરંતુ બે અલગ લ્યુટેશિયમ ઘડિયાળો બનાવીને તેમની ટિકિંગની સરખામણી પણ કરી હતી.
બંને ઘડિયાળોના પરિણામો અત્યંત નજીક રહ્યા અને સંશોધકોના જણાવ્યા પ્રમાણે તેમની સરખામણી 19મા અંકના સ્તર સુધી થઈ. આ રીતે પોતાની જ ઘડિયાળની ચોકસાઈને બીજી સમાન ઘડિયાળ સાથે ચકાસવામાં આવી.
260 અબજ વર્ષનો આ આંકડો સમજવો હોય તો…
260 અબજ વર્ષ એટલે માનવ જીવનકાળની સરખામણીમાં કલ્પના બહારનો સમય. આટલા લાંબા સમય સુધી ઘડિયાળ ચાલે તો તેમાં કુલ મળીને માત્ર એક સેકન્ડ જેટલો સમયનો ફરક પડી શકે છે.
અહીં ‘એક સેકન્ડનો ફરક’નો અર્થ એવો નથી કે ઘડિયાળ 260 અબજ વર્ષ સતત ચાલવાની છે. આ એક વૈજ્ઞાનિક ગણતરી છે, જે તેની માપન અનિશ્ચિતતાને સમજાવવા માટે વપરાય છે.
સંશોધનમાં ઘડિયાળની fractional frequency uncertainty લગભગ 1×10⁻¹⁹ દર્શાવવામાં આવી છે. આ સ્તરની ચોકસાઈ ઓપ્ટિકલ એટોમિક ઘડિયાળો માટે અત્યાર સુધીના સૌથી નીચા નોંધાયેલા અનિશ્ચિતતા સ્તરોમાંની એક છે.
આ ઘડિયાળમાં લ્યુટેશિયમનો જ ઉપયોગ કેમ?
સવાલ એ છે કે વૈજ્ઞાનિકોએ લ્યુટેશિયમ જ કેમ પસંદ કર્યું?
એટોમિક ઘડિયાળ સામાન્ય ઘડિયાળની જેમ ગિયર કે સ્પ્રિંગના આધારે સમય માપતી નથી. તેમાં પરમાણુની અંદર રહેલા ઇલેક્ટ્રોનના એક ઊર્જા સ્તરથી બીજા ઊર્જા સ્તર તરફ થતા પરિવર્તનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
આ પરિવર્તનની આવર્તન એટલે કે frequency ખૂબ સ્થિર હોય છે. વૈજ્ઞાનિકો લેસરને આ ચોક્કસ આવર્તન સાથે મેળવે છે અને પ્રકાશના oscillationsને અત્યંત ચોક્કસ ‘ટિક’ તરીકે ઉપયોગ કરે છે.
લ્યુટેશિયમના પરમાણુની કેટલીક વિશેષતાઓ તેને આ કામ માટે અનુકૂળ બનાવે છે. ખાસ કરીને તાપમાનમાં ફેરફાર અને ચુંબકીય ક્ષેત્રના બદલાવથી તેની clock transition અન્ય કેટલાક તત્વોની સરખામણીમાં ઓછી અસરગ્રસ્ત થાય છે. પરિણામે પર્યાવરણના નાના ફેરફારોને કારણે થતી ભૂલ ઘટાડવામાં મદદ મળે છે.
અગાઉ સીઝિયમથી ચાલતી હતી સમયની વૈશ્વિક ગણતરી
આજે સમય માપવાની આંતરરાષ્ટ્રીય વ્યવસ્થામાં સીઝિયમ-133નું ઐતિહાસિક મહત્વ છે. 1960ના દાયકાથી સીઝિયમ એટોમિક ઘડિયાળો વૈશ્વિક સમય ધોરણનો આધાર રહી છે.
પરંતુ વૈજ્ઞાનિકોએ ત્યારથી વધુ ઝડપી અને વધુ ચોક્કસ ઓપ્ટિકલ ઘડિયાળો વિકસાવવાનું શરૂ કર્યું. યિટરબિયમ, સ્ટ્રોન્શિયમ, એલ્યુમિનિયમ જેવા તત્વો આધારિત ઘડિયાળોએ પણ ખૂબ ઊંચી ચોકસાઈ દર્શાવી છે.
સિંગાપોરની ટીમે એક દાયકાથી વધુ સમય પહેલાં લ્યુટેશિયમ સાથે કામ શરૂ કર્યું હતું. લાંબા સમય સુધી પ્રયોગો અને ચોકસાઈ સુધારવાની પ્રક્રિયા બાદ હવે આ તત્વ આધારિત ઘડિયાળે રેકોર્ડ સ્તરની કામગીરી દર્શાવી છે. CQTના જણાવ્યા પ્રમાણે તેમની ટીમ લ્યુટેશિયમને આ સ્તરની સમય માપણી માટે ઉપયોગ કરતી એકમાત્ર જાણીતી સંશોધન ટીમ છે.
બે ઘડિયાળ બનાવીને કરવામાં આવી ચોકસાઈની ચકાસણી
વૈજ્ઞાનિક સંશોધનમાં કોઈ માપન કેટલું ચોક્કસ છે તે કહેવું પૂરતું નથી; તેની ચકાસણી કરવી પણ જરૂરી છે. આ કારણસર સિંગાપોરની ટીમે એક નહીં, પરંતુ બે લ્યુટેશિયમ એટોમિક ઘડિયાળો તૈયાર કરી.
ત્યારબાદ બંને ઘડિયાળોના ‘ટિક’ની સરખામણી કરવામાં આવી. આ માપન લગભગ 200 કલાક સુધી કરવામાં આવ્યું હતું. બંને ઘડિયાળોના પરિણામો અત્યંત નજીક મળ્યા અને તેમની સરખામણી 5.7×10⁻¹⁹ના સ્તર સુધી થઈ હોવાનું સંશોધનમાં જણાવાયું છે.
આ પ્રક્રિયા મહત્વપૂર્ણ છે, કારણ કે એક ઘડિયાળનું પરિણામ સાચું છે કે નહીં તે જાણવા માટે બીજી સ્વતંત્ર ઘડિયાળ સાથે સરખામણી કરવી જરૂરી બને છે.
માત્ર ઘડિયાળ નહીં, પૃથ્વી વિશે પણ મળી શકે નવી માહિતી
આ શોધનો ઉપયોગ માત્ર સમયને વધુ ચોક્કસ રીતે માપવા પૂરતો મર્યાદિત નથી. આટલી સંવેદનશીલ ઘડિયાળો પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણમાં ખૂબ નાના ફેરફારોને પણ ઓળખવામાં મદદ કરી શકે છે.
આઈન્સ્ટાઈનના સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંત પ્રમાણે ગુરુત્વાકર્ષણ સમયના પ્રવાહને અસર કરે છે. એટલે પૃથ્વી પર બે સ્થળોની ઊંચાઈમાં ખૂબ નાનો તફાવત હોય તો પણ અત્યંત ચોક્કસ ઘડિયાળ બંને સ્થળે સમયની ગતિમાં નાનો ફરક શોધી શકે છે.
સંશોધકો જણાવે છે કે આ પ્રકારની ઘડિયાળો મિલીમીટર સ્તરની ઊંચાઈના તફાવત પ્રત્યે પણ સંવેદનશીલ બની શકે છે. ભવિષ્યમાં તેનો ઉપયોગ પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણ ક્ષેત્રમાં થતા ફેરફારો અને ભૂ-માપન માટે થઈ શકે છે.
GPSથી લઈને ભૌતિકશાસ્ત્ર સુધી ઉપયોગ
આ પ્રકારની અત્યંત ચોક્કસ ઘડિયાળનો ફાયદો અનેક ક્ષેત્રોમાં થઈ શકે છે. આજની એટોમિક ઘડિયાળો પહેલેથી જ GPS, કોમ્યુનિકેશન નેટવર્ક અને પરિવહન પ્રણાલીઓના સમય સમન્વયમાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે.
ભવિષ્યમાં વધુ ચોક્કસ ઓપ્ટિકલ એટોમિક ઘડિયાળો ગુરુત્વાકર્ષણમાં થતા ફેરફારો માપવા, મૂળભૂત ભૌતિકશાસ્ત્રના સિદ્ધાંતોની ચકાસણી કરવા અને ડાર્ક મેટર જેવા રહસ્યમય વિષયો પર સંશોધન માટે પણ ઉપયોગી બની શકે છે. Natureના સંશોધન મુજબ આ ટેક્નોલોજી general relativity, Lorentz invariance અને fundamental constantsમાં સંભવિત ફેરફારો જેવા વિષયો પર પરીક્ષણો માટે પણ ઉપયોગી બની શકે છે.
શું હવે એક સેકન્ડની વ્યાખ્યા બદલાઈ જશે?
આ શોધનો સૌથી રસપ્રદ ભાગ એ છે કે ભવિષ્યમાં ‘એક સેકન્ડ’ની સત્તાવાર વ્યાખ્યા બદલાઈ શકે છે.
હાલમાં આંતરરાષ્ટ્રીય SI પદ્ધતિમાં સેકન્ડની વ્યાખ્યા સીઝિયમ પરમાણુ સાથે જોડાયેલી છે. પરંતુ ઓપ્ટિકલ એટોમિક ઘડિયાળો સીઝિયમ આધારિત માઇક્રોવેવ ઘડિયાળો કરતાં ઘણી ઊંચી આવર્તન પર કામ કરી શકે છે અને વધુ ચોકસાઈ મેળવી શકે છે.
આંતરરાષ્ટ્રીય વૈજ્ઞાનિક સમુદાય નવી પેઢીની ઓપ્ટિકલ એટોમિક ઘડિયાળોના પરિણામોનું મૂલ્યાંકન કરી રહ્યો છે. CQT અનુસાર સેકન્ડની નવી વ્યાખ્યા 2030 અથવા ત્યારબાદ આવવાની સંભાવના અંગે ચર્ચા ચાલી રહી છે. જોકે અંતિમ નિર્ણય આંતરરાષ્ટ્રીય ધોરણ નક્કી કરતી સંસ્થાઓની પ્રક્રિયા પર આધારિત રહેશે.
હવે લેબોરેટરીમાંથી બહાર લાવવાનો પ્રયાસ
હાલ સિંગાપોરની લ્યુટેશિયમ ઘડિયાળ એક લેબોરેટરી આધારિત સિસ્ટમ છે. સંશોધકોનું આગામી લક્ષ્ય તેને વધુ નાની અને સરળતાથી એક સ્થળેથી બીજા સ્થળે લઈ જઈ શકાય તેવી બનાવવાનું છે.
આ મહત્વપૂર્ણ પગલું હશે, કારણ કે જો આવી ઘડિયાળને વિવિધ સ્થળોએ લઈ જઈને સરખાવી શકાય તો પૃથ્વીના જુદા-જુદા વિસ્તારો વચ્ચેના ગુરુત્વાકર્ષણ અને સમયના અત્યંત નાના તફાવતોનો અભ્યાસ વધુ સારી રીતે થઈ શકે.
ટીમના જણાવ્યા પ્રમાણે લ્યુટેશિયમના ગુણધર્મો એવી આશા આપે છે કે ચોકસાઈ જાળવી રાખીને આ સિસ્ટમને transportable બનાવી શકાય.
સમય માપવાની દુનિયામાં નવો અધ્યાય
સિંગાપોરની આ શોધ આપણને એ સમજાવે છે કે ‘એક સેકન્ડ’ જેવી સામાન્ય લાગતી વસ્તુને માપવામાં પણ વિજ્ઞાન કેટલી ઊંડાઈ સુધી પહોંચી ગયું છે. લ્યુટેશિયમના માત્ર એક આયન પર આધારિત આ પ્રકારની ઘડિયાળ 19મા દશાંશ સ્થાન સુધી સમય માપવાની ક્ષમતા દર્શાવે છે.
260 અબજ વર્ષમાં એક સેકન્ડનો સંભવિત ફરક સાંભળવામાં અવિશ્વસનીય લાગે છે, પરંતુ આ આંકડો વૈજ્ઞાનિક માપનની અતિશય ચોકસાઈ દર્શાવતું ગણિતીય પરિણામ છે.
હવે આ ટેક્નોલોજી લેબોરેટરીની બહાર કેટલી સફળતાપૂર્વક ઉપયોગમાં આવે છે અને ભવિષ્યમાં આંતરરાષ્ટ્રીય સમય ધોરણમાં તેની શું ભૂમિકા રહે છે, તેના પર વૈજ્ઞાનિકોની નજર રહેશે. એક વાત ચોક્કસ છે—સમયને વધુ ચોક્કસ રીતે માપવાની દોડમાં સિંગાપોરની લ્યુટેશિયમ એટોમિક ઘડિયાળે એક નવો માપદંડ જરૂર ઊભો કર્યો છે.
