A fizikusok olyan pontos atomórát fejlesztettek ki, hogy 14 milliárd év alatt kevesebb mint egy másodperccel késik. Ez a fajta pontosság és pontosság nem csupán időmérőt jelent. Ez egy hatalmas tudományos eszköz, amely képes mérni a gravitációs hullámokat, megmérheti a Föld gravitációs alakját, és esetleg felismerheti a sötét anyagot is.
Hogyan csinálták?
A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet fizikusai szerint új atomórájuk a ritkaföldfémből, az ytterbiumból származik. Az optikai rácsnak nevezett lézernyaláb-rácsot használnak 1000 ytterbium-atom elfogására. Az atomok természetesen „ketyegnek” azáltal, hogy két energiaszintet váltanak át. Ezt a műveletet atomi elektron átmenetnek nevezzük, és nanosekundumok bekövetkezése szükséges. Minden alkalommal, amikor ketyegnek vagy megváltoztatják az energiaszintet, az elektronok mikrohullámú energiát bocsátanak ki, amely kimutatható. A NIST fizikusai kettőt építettek ezekből az ytterbium órákból, és összehasonlításuk révén rekordteljesítményt értek el.
Ezt a rekordteljesítményt három módon mérik:
- Szisztematikus bizonytalanság: Az óra mennyire ábrázolja az ytterbium atomok természetes rezgéseit. Az ytterbium órája csak egymilliárdodszor volt kikapcsolva.
- Stabilitás: Az óra frekvenciája mennyiben változik egy adott időben. Ebben az esetben megmérik ytterbium órájukat, és ez csak 0,00000000000000000032) változott egy nap alatt.
- Reprodukálhatóság: Ez megméri, hogy a két ytterbium-óra mennyire szorosan azonos frekvenciával ketyeg. Az órapár pár 10 összehasonlításában a különbség ismét kevesebb volt, mint egymilliárd milliárdod részét.
„A szisztematikus bizonytalanság, a stabilitás és a megismételhetőség ezeknek az óráknak a teljesítésének királyi flushának tekinthető” - mondta Andrew Ludlow, a projekt vezetője egy sajtóközleményben. "A két óra ezen példátlan szintű megállapodása, amelyet reprodukálhatóságnak nevezünk, talán a legfontosabb eredmény, mivel alapvetően megköveteli és igazolja a másik két eredményt."
Einstein megmutatta nekünk, hogy az idő eltérően telik el attól függően, hogy milyen súlyos az ön is. Az atomok jelölése egy atomórában lelassul, ha erősebb gravitációt észlelünk. A hegy tetején Az Everest például az idő gyorsabban mozog, mint a Mariana-árok alján. Ennek oka az, hogy a Földön a gravitációs erő a bolygó közepére koncentrálódik. Minél távolabb állsz a központtól, annál kevesebb a gravitáció. A hatás nem nagy, talán csak a másodperces milliomodokra. De ott van. Valahogy ellentmondásosnak tűnik, de ezt Einstein megmutatta, és helyesnek bizonyult.
Az új atomóra kivételes tulajdonsága az, hogy a demonstrált reprodukálhatóság azt jelenti, hogy az óra hibája nem éri el a képességünket, hogy észleljük a gravitációs hatást időben a Földön.
A NIST fizikus, Andrew Ludlow így magyarázza ezt: „… a demonstrált reprodukálhatóság azt mutatja, hogy az órák teljes hibája alá esik az a képességünk, hogy figyelembe vegyük a gravitáció időbeli hatását a Földön. Ennélfogva, amikor elképzeljük, hogy az ilyen órákat az országban vagy a világban használják, azok relatív teljesítményét először korlátoznák a Föld gravitációs hatásai. "
A fizikusok azt mondják, hogy most, amikor van egy olyan óra, amelynek pontossága meghaladja az időbeli gravitációs hatást, az óra segítségével mérhetjük a Föld gravitációs alakját. A Föld gravitációs alakjának szokásos mérési módja az árapály mérése. A világon elhelyezett árapálymérőket használják, de pontosságuk csak néhány centiméternél lehetséges. Az új órák ezt a pontosságot kevesebb, mint egy centiméterre csökkenthetik.
Valójában ezek az ytterbium órák sokkal többet mérhetnek, mint a Föld gravitációs alakja. Ezek felhasználhatók maga a téridő mérésére és a korai világegyetem gravitációs hullámainak felismerésére. Lehetséges, hogy még a sötét anyagot is meg tudják mérni. A pontosság és pontosság ezen szintjén ez az eszköz sokkal több, mint egy óra.
Nem csak a gravitáció képes befolyásolni egy olyan órát, mint a ytterbium óra. Más környezeti hatások megzavarhatják az eszköz pontosságát. Hűtve kell tartani, és el kell különíteni a szórt elektromos mezőktől. Az új órák árnyékolva vannak az elektromos és hőhatásoktól, így számolhatók és javíthatók.
Az olyan fejlesztésekkel, mint például az elektromos és hővédő árnyékolás, a fizikusok hordozható ytterbium órákat építenek, amelyeket különféle laboratóriumokba lehet szállítani más órák mérésére és összehasonlítására. Ezeket más helyekre is áthelyezhetik a relativista geodézia technikák tanulmányozására. Ez játékváltó lenne, mert jelenleg a legjobb atomi órák szoba méretűek, úgynevezett „szökőkútórák”, amelyek cézium atomot használnak a második meghatározására.
De mindez változhat az új órákkal.
A korábbi atomórák a cézium elemén alapulnak, amely eddig a lehető legpontosabb időmérést biztosította. A cézium atom vibrációját az 1960-as évek óta használják arra, hogy meghatározza az egy másodperc időtartamát az Egységek Nemzetközi Rendszerében (ISU). De az ytterbium óra fejlesztésével a caesium ideje lejárhat.
Az első cézium órát 1955-ben építették, és azóta ez az arany szabvány. A második hivatalos meghatározását, ha érdekli, 1967 óta használják. Azt mondja: „A második a sugárzás 9 192 631 770 periódusának időtartama, amely megfelel a talaj két hiperfinom szintje közötti átmenetnek. a cézium-133 atom állapota. ” Aztán 1997-ben világossá tették azt, hogy a céziumnak 0 Kelvin hőmérsékleten kell lennie.
Más atomórákat rubidium felhasználásával építettek, amelyek hordozhatók. Nem olyan pontosak, mint a cézium, de elég jók olyan alkalmazásokhoz, mint a GPS, a mobiltelefon-bázisállomások és a televíziós állomások frekvenciájának vezérlése. Az ytterbium-atom felhasználásával kifejlesztett új atomórával azonban mindkét világ legjobbjai lehetnek: példátlan tudományos pontossággal és hordozhatósággal.
Az új ytterbium atomóra vezető jelölt arra, hogy újradefiniálja annak meghatározását, hogy mennyi az egy másodperc. Ennek oka az, hogy teljesíti a Nemzetközi Egységrendszer által meghatározott pontossági küszöböt. Ez a testület azt mondta, hogy bármilyen új meghatározás 100-szoros javítását igényli az érvényesített pontosság 100% -át meghaladó cézium-órákhoz képest, amelyeket jelenleg a második meghatározásához használnak.
Az időt a Föld forgása alapján határoztuk meg, de azóta hosszú utat tettünk meg. Egy atomi óra, amely egy ritkaföldfémek elemének dörzsértékét használja a Föld gravitációs alakjának, a korai univerzum gravitációs hullámainak és akár a sötét anyagnak a mérésére, amit egy történelmi ember még soha nem tudott volna képzelni, amikor egy botot beragasztottak. a föld, hogy napfénytárcsát készítsen.
- Sajtóközlemény: A NIST atomórák most elegendő időt takarítanak meg a Föld modelljeinek fejlesztése érdekében
- Kutatási cikk: Az atomóra teljesítménye meghaladja a geodéziai határértéket
- MIT News: Atomi időmérés útközben
- Wikipedia: Atomi óra
- Wikipedia: Cézium szabvány
- Wikipedia: Atomos elektron átmenet
