Fyysikot ovat kehittäneet atomikello niin tarkka, että se poikkeaisi alle yhdellä sekunnilla 14 miljardissa vuodessa. Tällainen tarkkuus ja tarkkuus tekevät siitä enemmän kuin pelkän kellon. Se on tehokas tieteellinen instrumentti, joka voi mitata gravitaatioaaltoja, mitata Maan painovoiman muotoa ja ehkä jopa havaita pimeää ainetta.
Miten he tekivät sen?
Kellon suorituskyvyn 'kuninkaallinen väri'.
Fyysikot osoitteessa National Institute of Standards and Technology sanovat, että heidän uusi atomikellonsa perustuu harvinaisen maametallin alkuaineeseen ytterbium. He käyttävät lasersäteiden verkkoa, jota kutsutaan optiseksi hilaksi, vangitakseen 1000 ytterbiumatomia. Atomit 'tikki' luonnollisesti vaihtamalla kahden energiatason välillä. Sitä toimintaa kutsutaan atomielektronimuutos , ja se kestää nanosekunteja. Joka kerta kun ne tikittävät tai muuttavat energiatasoa, elektronit lähettävät mikroaaltoenergiaa, joka voidaan havaita. NIST-fyysikot rakensivat kaksi näistä ytterbiumkelloista, ja niitä vertaamalla he ovat saavuttaneet ennätyssuorituskyvyn.
Tätä ennätyssuoritusta mitataan kolmella tavalla:
- Systemaattinen epävarmuus: Näin hyvin kello edustaa ytterbiumatomien luonnollista värähtelyä. Ytterbiumkello oli vain yhden miljardisosan verran pois päältä.
- Vakaus: Tämä on kuinka paljon kellon taajuus muuttuu tietyssä ajassa. Tässä tapauksessa he mittasivat ytterbiumkellonsa ja se muuttui vain 0,00000000000000000032) päivässä.
- Toistettavuus: Tämä mittaa kuinka lähelle kaksi ytterbiumkelloa tikittää samalla taajuudella. Kymmenessä vertailussa kelloparien välillä ero oli jälleen alle miljardisosa miljardisosasta.
'Systemaattista epävarmuutta, vakautta ja toistettavuutta voidaan pitää näiden kellojen suorituskyvyn 'kuninkaallisena värinä', projektijohtaja Andrew Ludlow sanoi. Lehdistötiedote . 'Kahden kellon yhteensopivuus tällä ennennäkemättömällä tasolla, jota kutsumme toistettavuudelle, on ehkä tärkein yksittäinen tulos, koska se olennaisesti edellyttää ja perustelee kaksi muuta tulosta.'
Atomikellot ovat olleet käytössä vuosikymmeniä. Tämä kuva esittää US Naval Observatoryn atomikellot, joita käytetään määrittämään aikastandardi Yhdysvaltain puolustusministeriölle. Kuva: US Naval Observatory – http://tycho.usno.navy.mil/gif/clockvaults.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5538835
Kellot, painovoima ja suhteellisuusteoria
Einstein osoitti sen meille aika kuluu eri tavalla riippuen myös kohdistuvasta painovoimasta. Atomikellon atomien tikitys hidastuu, kun sitä havaitaan vahvemmassa painovoimassa. Esimerkiksi Mt. Everestin huipulla aika kulkee nopeammin kuin Mariana-haudon pohjalla. Tämä johtuu siitä, että täällä maan päällä painovoima on keskittynyt planeetan keskelle. Mitä kauempana olet keskustasta, sitä vähemmän painovoimaa on. Vaikutus ei ole suuri, ehkä vain sekunnin miljoonasosia. Mutta se on siellä. Se vaikuttaa jotenkin intuitiiviselta, mutta niin Einstein osoitti, ja hänen on todistettu olevan oikea.
Poikkeuksellinen asia tässä uudessa atomikellossa on, että sen osoitettu toistettavuus tarkoittaa, että kellon virhe on pienempi kuin kykymme havaita gravitaatiovaikutus aikaan täällä maan päällä.
National Institute of Standards and Technologyn (NIST) fyysikot ovat kehittäneet atomikellon, joka perustuu elementtiin ytterbium, joka on rikkonut atomikellojen suorituskyvyn vertailuarvot. Kuvassa fyysikko Andrew Ludlow. Kuvan luotto: Burrus/NIST
NIST-fyysikko Andrew Ludlow selittää asian näin: ”… osoitettu toistettavuus osoittaa, että kellojen kokonaisvirhe putoaa alle yleisen kykymme ottaa huomioon painovoiman vaikutus aikaan täällä maan päällä. Näin ollen, kun kuvittelemme tämänkaltaisten kellojen olevan käytössä eri puolilla maata tai maailmaa, niiden suhteellista suorituskykyä rajoittaisivat ensimmäistä kertaa Maan gravitaatiovaikutukset.
Fyysikot sanovat, että nyt kun meillä on kello, jonka tarkkuus on suurempi kuin gravitaatiovaikutus aikaan, voimme käyttää kelloa maapallon painovoiman muodon mittaamiseen. Tavallinen tapa mitata Maan painovoiman muoto on mitata sen vuorovesi. Käytössä on ympäri maailmaa sijoitettuja vuorovesimittareita, mutta niiden tarkkuus on vain muutaman senttimetrin tarkkuudella. Uudet kellot voisivat laskea tämän tarkkuuden alle yhteen senttiin.
Itse asiassa nämä ytterbium kelloilla voidaan mitata paljon enemmän kuin Maan painovoiman muoto. Niitä voidaan käyttää mittaamaan itse aika-avaruutta ja havaitsemaan gravitaatioaaltoja varhaisesta universumista. On mahdollista, että he voisivat mitata jopa pimeää ainetta. Tällä tarkkuustasolla tämä instrumentti on paljon enemmän kuin pelkkä kello.
Kannettava, peliä muuttava atomikello
Ei vain painovoima voi vaikuttaa kelloon, kuten ytterbiumkelloon. Muut ympäristövaikutukset voivat häiritä laitteen tarkkuutta. Ne on säilytettävä viileinä ja eristettävä kaikista hajaisista sähkökentistä. Uudet kellot on suojattu sähkö- ja lämpövaikutuksilta, jotta niitä voidaan ottaa huomioon ja korjata.
Sähkö- ja lämpösuojauksen kaltaisilla parannuksilla fyysikot rakentavat kannettavia ytterbiumkelloja, jotka voidaan kuljettaa eri laboratorioihin mittaamaan ja vertailemaan muita kelloja. Ne voitaisiin myös siirtää muihin paikkoihin tutkimaan relativistisia geodesian tekniikoita. Tämä muuttaisi pelin, koska tällä hetkellä parhaat atomikellomme ovat huoneen kokoisia, niin sanottuja 'suihkulähdekelloja', jotka käyttävät cesiumatomia toisen määrittelemiseen.
Mutta tämä kaikki saattaa muuttua uusien kellojen myötä.
Hyvästi Caesium, Hei Ytterbium
Aiemmat atomikellot perustuvat alkuaineeseen cesium, joka on tähän asti tarjonnut tarkimman saatavilla olevan ajanoton. Cesiumatomin värähtelyä on käytetty 1960-luvulta lähtien määrittämään yhden sekunnin kesto kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (ISU). Mutta ytterbiumkellon kehittyessä cesiumin aika saattaa olla lopussa.
Ensimmäinen cesiumkello rakennettiin vuonna 1955, ja siitä lähtien se on ollut kultakanta. Toisen virallinen määritelmä, jos kiinnostaa, on ollut käytössä vuodesta 1967. Siinä sanotaan: 'Toinen on 9 192 631 770 säteilyjakson kesto, joka vastaa siirtymää maan kahden superhienon tason välillä. cesium 133 -atomin tila.' Sitten vuonna 1997 he selvensivät sen tarkoittavan, että cesiumin piti olla 0 Kelvinissä.
Maailman ensimmäinen cesiumatomikello rakennettiin Yhdistyneen kuningaskunnan kansallisessa fysikaalisessa laboratoriossa vuonna 1955. Siitä lähtien sitä on käytetty sekunnin pituuden määrittämiseen. Kuva: National Physical Laboratory – http://www.npl.co.uk/upload/img/essen-experiment_1.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid= 5543813
Muut atomikellot on rakennettu rubidiumista, joka voidaan tehdä kannettavaksi. Ne eivät ole yhtä tarkkoja kuin cesium, mutta ne ovat riittävän hyviä sovelluksiin, kuten GPS, matkapuhelintukiasemiin ja televisioasemien taajuuden hallintaan. Mutta uuden ytterbium-atomia käyttävän atomikellon kehittämisen myötä meillä voi olla molempien maailmojen parhaat puolet: ennennäkemätön tieteellinen tarkkuus ja siirrettävyys.
Uusi ytterbium-atomikello on johtava ehdokas määrittelemään uudelleen määritelmän siitä, kuinka ling yksi sekunti on. Tämä johtuu siitä, että se täyttää kansainvälisen yksikköjärjestelmän määrittämän tarkkuuskynnyksen. Tuo elin sanoi, että mikä tahansa uusi määritelmä vaatisi 100-kertaista parannusta validoituun tarkkuuteen verrattuna tällä hetkellä toisen määrittämiseen käytettyihin cesiumkelloihin.
Aiemmin määritimme ajan Maan pyörimisnopeuden perusteella, mutta olemme kulkeneet sen jälkeen pitkän tien. Atomikello, joka käyttää harvinaisen maametallin elementin tikitysnopeutta Maan painovoiman muodon, varhaisen universumin gravitaatioaaltojen ja ehkä jopa pimeän aineen mittaamiseen, on jotain, jota yksikään historiallinen ihminen ei olisi voinut kuvitella, kun hän pisti tikun siihen. maahan aurinkokellon tekemiseksi.
Lähteet:
- Lehdistötiedote: NIST-atomikellot pitävät nyt tarpeeksi aikaa parantaakseen maapallon malleja
- Tutkimus paperi: Atomikellon suorituskyky ylittää geodeettisen rajan
- MIT-uutiset: Atomic ajanotto, liikkeellä
- Wikipedia: Atomi kello
- Wikipedia: Cesium standardi
- Wikipedia: Atomielektronimuutos