Fizycy opracowali zegar atomowy tak dokładny, że byłby wyłączony o niecałą sekundę za 14 miliardów lat. Tego rodzaju dokładność i precyzja sprawiają, że jest to coś więcej niż zegarek. Jest to potężny instrument naukowy, który może mierzyć fale grawitacyjne, mierzyć kształt grawitacyjny Ziemi, a może nawet wykrywać ciemną materię.
Jak oni to zrobili?
Fizycy z National Institute of Standards and Technology twierdzą, że ich nowy zegar atomowy jest oparty na pierwiastku ziem rzadkich iterbu. Wykorzystują siatkę wiązek laserowych zwaną siecią optyczną do wychwytywania 1000 atomów iterbu. Atomy naturalnie „tykają”, przełączając między dwoma poziomami energii. To działanie nazywa się atomową przemianą elektronów i zajmuje nanosekundy. Za każdym razem, gdy tyka lub zmienia poziomy energii, elektrony emitują energię mikrofalową, którą można wykryć. Fizycy NIST zbudowali dwa z tych zegarów iterbu, a porównując je, osiągnęli rekordową wydajność.
Ta rekordowa wydajność jest mierzona na trzy sposoby:
- Systematyczna niepewność: tak dobrze zegar reprezentuje naturalne wibracje atomów iterbu. Zegar iterbu wyłączył się tylko o jedną miliardową z jednej miliardowej.
- Stabilność: tyle zmienia częstotliwość zegara w określonym czasie. W tym przypadku zmierzyli swój zegar iterbu i zmienił się tylko o 0,00000000000000000032) w ciągu dnia.
- Odtwarzalność: Mierzy to, jak blisko dwa zegary iterbu odznaczają się z tą samą częstotliwością. W 10 porównaniach między parą zegarów różnica była ponownie mniejsza niż jedna miliardowa miliarda.
„Systematyczną niepewność, stabilność i odtwarzalność można uznać za„ królewski kolor ”wydajności tych zegarów”, powiedział lider projektu Andrew Ludlow w komunikacie prasowym. „Zgodność dwóch zegarów na tym bezprecedensowym poziomie, który nazywamy odtwarzalnością, jest być może najważniejszym pojedynczym wynikiem, ponieważ zasadniczo wymaga i uzasadnia pozostałe dwa wyniki.”
Einstein pokazał nam, że czas płynie inaczej w zależności od grawitacji, której jesteś poddany. Tykanie atomów w zegarze atomowym jest spowolnione, gdy obserwuje się je z silniejszą grawitacją. Na szczycie Mt. Na przykład Everest czas płynie szybciej niż na dnie rowu Mariana. To dlatego, że tutaj na Ziemi siła grawitacji skupia się w centrum planety. Im dalej jesteś od centrum, tym mniejsza jest grawitacja. Efekt nie jest świetny, być może tylko milionowe części sekundy. Ale tam jest. To wydaje się w jakiś sposób sprzeczne z intuicją, ale to właśnie pokazał Einstein i udowodniono, że ma rację.
Wyjątkową cechą tego nowego zegara atomowego jest to, że wykazano jego powtarzalność, co oznacza, że błąd zegara jest poniżej naszej zdolności do wykrycia efektu grawitacji w czasie na Ziemi.
Fizyk z NIST, Andrew Ludlow, wyjaśnia to w następujący sposób: „… wykazana odtwarzalność pokazuje, że całkowity błąd zegarów spada poniżej naszej ogólnej zdolności do uwzględnienia wpływu grawitacji na czas na Ziemi. Dlatego, ponieważ przewidujemy, że zegary takie będą używane w całym kraju lub na świecie, ich względna wydajność byłaby po raz pierwszy ograniczona przez efekty grawitacyjne Ziemi ”.
Fizycy twierdzą, że teraz, gdy mamy zegar, którego dokładność jest większa niż efekt grawitacyjny w czasie, możemy go użyć do pomiaru kształtu grawitacyjnego Ziemi. Zwykłym sposobem pomiaru kształtu grawitacyjnego Ziemi jest pomiar jej pływów. Stosowane są mierniki pływów rozmieszczone na całym świecie, ale ich dokładność wynosi zaledwie kilka centymetrów. Nowe zegary mogą obniżyć tę dokładność do mniej niż jednego centymetra.
W rzeczywistości te zegary iterbu mogą być używane do pomiaru znacznie więcej niż ziemskiego kształtu grawitacyjnego. Można ich używać do pomiaru samej czasoprzestrzeni i do wykrywania fal grawitacyjnych z wczesnego wszechświata. Możliwe, że mogli nawet zmierzyć ciemną materię. Na tym poziomie dokładności i precyzji ten instrument to znacznie więcej niż tylko zegar.
Nie tylko grawitacja może wpływać na zegar taki jak zegar iterbu. Inne efekty środowiskowe mogą zakłócać dokładność urządzenia. Muszą być chłodzone i muszą być odizolowane od wszelkich zbłąkanych pól elektrycznych. Nowe zegary są chronione przed skutkami elektrycznymi i cieplnymi, dzięki czemu można je rozliczać i poprawiać.
Dzięki ulepszeniom, takim jak ekranowanie elektryczne i termiczne, fizycy budują przenośne zegary iterbu, które można transportować do różnych laboratoriów w celu pomiaru i porównywania innych zegarów. Można je również przenieść do innych lokalizacji w celu zbadania relatywistycznych technik geodezji. Byłoby to przełomem, ponieważ obecnie nasze najlepsze zegary atomowe to tak zwane „zegary fontannowe” wielkości pomieszczenia, które wykorzystują atom cezu do zdefiniowania drugiego.
Ale to wszystko może się wkrótce zmienić w przypadku nowych zegarów.
Poprzednie zegary atomowe oparte były na elemencie cezu, który do tej pory zapewniał najdokładniejszy dostępny pomiar czasu. Wibracje atomu cezu stosuje się od lat 60. XX wieku do określenia czasu trwania jednej sekundy w Międzynarodowym Układzie Jednostek (ISU). Ale wraz z rozwojem zegara iterbu czas Cezium może się skończyć.
Pierwszy zegar cezowy został zbudowany w 1955 roku i od tego czasu stał się złotym standardem. Oficjalna definicja drugiego, jeśli jesteś zainteresowany, jest używana od 1967 roku. Mówi: „Drugi to czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadający przejściu między dwoma hiper drobnymi poziomami gruntu stan atomu cezu 133 ”. Następnie w 1997 r. Wyjaśnili, że cez musi mieć 0 kelwinów.
Inne zegary atomowe zostały zbudowane przy użyciu rubidu, który można uczynić przenośnym. Nie są tak dokładne jak cez, ale są wystarczające do aplikacji takich jak GPS, stacje bazowe telefonów komórkowych i do kontrolowania częstotliwości stacji telewizyjnych. Ale wraz z rozwojem nowego zegara atomowego wykorzystującego atom iterbu, możemy mieć to, co najlepsze z obu światów: bezprecedensową naukową dokładność i przenośność.
Nowy zegar atomowy iterbu jest wiodącym kandydatem do ponownego zdefiniowania definicji ling jednej sekundy. To dlatego, że spełnia próg dokładności określony przez Międzynarodowy System Jednostek. Ciało to stwierdziło, że każda nowa definicja wymagałaby 100-krotnej poprawy potwierdzonej dokładności w porównaniu z zegarami cezowymi używanymi obecnie do definiowania drugiego.
Kiedyś definiowaliśmy czas na podstawie obrotu Ziemi, ale od tego czasu przeszliśmy długą drogę. Zegar atomowy wykorzystujący tempo tyknięcia pierwiastka ziem rzadkich do pomiaru kształtu grawitacyjnego Ziemi, fale grawitacyjne z wczesnego Wszechświata, a być może nawet ciemna materia, to coś, czego żaden historyczny człowiek nie byłby w stanie sobie wyobrazić, kiedy wbiłby patyk ziemię, aby wykonać tarczę słoneczną.
- Informacja prasowa: Zegary atomowe NIST utrzymują teraz wystarczająco dużo czasu, aby ulepszyć modele Ziemi
- Artykuł badawczy: Wydajność zegara atomowego poza limitem geodezyjnym
- Wiadomości MIT: Atomowy pomiar czasu w podróży
- Wikipedia: zegar atomowy
- Wikipedia: standard cezu
- Wikipedia: Atomowe przejście elektronów
