Melakukan Pengukuran dengan Sisir Bergigi Halus
Bagi banyak orang, pengukuran terdengar biasa, seperti menandai kutu pada penggaris atau membaca garis pada termometer. Ini adalah bagian dari data. Dan mereka cenderung berpikir bahwa pengukuran yang lebih baik terlihat seperti kutu yang semakin halus pada penggaris. Tetapi membuat pengukuran baru lebih dari sekadar membuat tanda yang lebih halus pada penggaris. Mengukur sesuatu berarti memahaminya, memisahkannya dan melihat cara kerjanya. Pengukuran baru dapat membuka kemungkinan yang bahkan tidak pernah terpikirkan oleh para ilmuwan ketika mereka memulai. Mungkin tidak ada contoh yang lebih baik dari sisir frekuensi optik. Sangat sederhana, perangkat ini adalah penggaris untuk cahaya. Namun itu lebih dari sekadar penguasa.
Gelombang radio, gelombang mikro, cahaya tampak, sinar-X, dan inframerah adalah bagian dari spektrum frekuensi elektromagnetik. Semuanya adalah gelombang, bergerak dengan kecepatan cahaya, tetapi jarak antara puncak gelombang tersebut dapat terpisah beberapa kilometer, seperti beberapa gelombang radio, atau terpisah nanometer, seperti cahaya tampak dan ultraviolet.
Pada 1970-an, para ilmuwan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) terjebak. Mereka menginginkan jam atom yang lebih tepat dan akurat, yang didasarkan pada frekuensi optik yang sangat tinggi dari cahaya yang dilepaskan oleh atom ketika elektron mereka melompat di antara keadaan energi, berlawanan dengan frekuensi gelombang mikro yang lebih rendah yang mereka gunakan. Jam yang lebih baik akan memberi mereka definisi detik yang lebih tepat. Detik yang lebih tepat akan memberi mereka definisi meteran yang lebih baik, yaitu jarak yang ditempuh cahaya dalam ruang hampa dalam sepersekian detik. Namun semua itu bergantung pada kemampuan untuk mengukur frekuensi cahaya ini secara akurat dan tepat.
Ada celah dalam pengukuran antara kedua ujung spektrum elektromagnetik. Para ilmuwan dapat mengukur frekuensi radio dan gelombang mikro secara akurat, tetapi tidak ada elektronik yang dapat menghitung cukup cepat untuk mengimbangi frekuensi optik atom. Mereka bisa menggunakan laser dengan frekuensi yang cocok untuk membaca frekuensi optik atom. Para ilmuwan memiliki laser dengan frekuensi yang diketahui dan tepat, tetapi mereka hanya dapat menghasilkan satu frekuensi atau warna. Tanpa mengetahui frekuensi yang tepat dari atom, menemukan laser frekuensi yang tepat untuk membaca atom akan membutuhkan banyak trial and error. Ilmuwan NIST mencoba daisy-chaining beberapa laser dari frekuensi yang berbeda bersama-sama untuk membuat penggaris optik yang belum sempurna. Itu bekerja cukup baik untuk mendefinisikan ulang meteran tetapi bukan solusi jangka panjang.
Masukkan sisir frekuensi, perangkat pemenang Hadiah Nobel, dan hasil penelitian puluhan tahun dari NIST dan lainnya. Sisir menghasilkan satu miliar pulsa cahaya per detik, yang memantul bolak-balik di dalam rongga optik. Ini menciptakan jutaan lonjakan frekuensi optik yang terlihat seperti gigi berwarna pelangi pada sisir (karena itu namanya). Gigi pertama di sisir itu diatur ke frekuensi yang diketahui, yang memberi para ilmuwan titik awal untuk membaca frekuensi lainnya. Sama seperti penggaris, jika Anda tahu penanda pertama adalah satu milimeter dan setiap penanda berjarak satu milimeter, Anda dapat dengan mudah mulai mengukur. Demikian pula, karena mereka tahu persis seberapa jauh jarak frekuensi ini, para ilmuwan dapat menerjemahkan sinyal optik ini ke gelombang mikro dengan rumus matematika sederhana, menggabungkan dua ujung spektrum elektromagnetik. Ini membuka banyak pintu penelitian.
Para ilmuwan menggunakan teknologi baru ini untuk membuat jam yang lebih baik, akhirnya mengembangkan jam yang 100 kali lebih baik daripada jam cesium yang digunakan untuk standar waktu sipil. Jam yang lebih akurat dan tepat sangat penting untuk navigasi GPS, yang bergantung pada sinyal waktu yang tepat untuk menentukan lokasi Anda. Jam yang lebih baik juga memiliki keuntungan penelitian, mulai dari mendeteksi perubahan kecil dalam gravitasi hingga mempelajari fenomena dunia kuantum dan mungkin menemukan materi gelap. Jam-jam ini pada akhirnya dapat mengubah cara kita mendefinisikan satu detik.
Semua atom dan molekul memancarkan frekuensi cahaya yang unik ketika mereka melompat di antara keadaan energi, bukan hanya atom yang digunakan dalam jam. Jika salah satu frekuensi dari sisir mengenai atom atau molekul dengan frekuensi yang sama persis, para ilmuwan dapat mengidentifikasi jenis atom atau molekul yang mereka pukul. Dengan menggunakan sisir frekuensi optik, para ilmuwan dapat mempelajari komposisi bintang dengan sangat detail. Ahli astrofisika dapat mengetahui apakah mereka telah menemukan planet baru dengan mengukur perubahan frekuensi cahaya bintang. Dengan menggunakan sisir frekuensi, kami dapat meningkatkan sistem jangkauan cahaya, yang memantulkan cahaya dari objek untuk mendeteksinya seperti radar atau sonar. Mereka dapat melihat objek melalui api, membantu ilmuwan NIST mempelajari bagaimana struktur gagal selama kebakaran. Sisir juga digunakan untuk mendeteksi gas rumah kaca dalam jumlah terkecil di udara atau mencari penyakit dalam napas manusia.
