Fiziķi ir izstrādājuši tik precīzu atomu pulksteni, ka 14 miljardu gadu laikā tas izslēdzas mazāk nekā par vienu sekundi. Šāda veida precizitāte padara to ne tikai par hronometru. Tas ir spēcīgs zinātnisks instruments, kas var izmērīt gravitācijas viļņus, veikt Zemes gravitācijas formas izmērus un varbūt pat noteikt tumšo vielu.
Kā viņi to izdarīja?
Nacionālā standartu un tehnoloģijas institūta fiziķi saka, ka viņu jaunā atomu pulksteņa pamatā ir retzemju elements ytterbium. Viņi izmanto lāzera staru režģi, ko sauc par optisko režģi, lai ieslodzītu 1000 ytterbium atomus. Atomi dabiski “iezīmējas”, pārslēdzoties starp diviem enerģijas līmeņiem. Šo darbību sauc par atomu elektronu pāreju, un tā notiek nanosekundēs. Katru reizi, kad tie ķeksīti vai maina enerģijas līmeni, elektroni izstaro mikroviļņu enerģiju, ko var noteikt. NIST fiziķi uzbūvēja divus no šiem ytterbium pulksteņiem, un, salīdzinot tos, viņi ir sasnieguši rekordlielu sniegumu.
Šo rekordlielo sniegumu mēra trīs veidos:
- Sistemātiska nenoteiktība: pulkstenis precīzi atspoguļo ytterbija atomu dabiskās vibrācijas. Ytterbium pulkstenis bija izslēgts tikai par vienu miljardu no vienas miljardās daļas.
- Stabilitāte: pulksteņa frekvence mainās noteiktā laikā. Šajā gadījumā viņi izmērīja ytterbium pulksteni, un tas dienas laikā mainījās tikai par 0,00000000000000000032).
- Atveidojamība: tas mēra, cik cieši divi ytterbium pulksteņi ķeksē vienā un tajā pašā frekvencē. Desmit salīdzinājumos starp pulksteņu pāriem atšķirība atkal bija mazāka par vienu miljardo daļu no vienas miljardās daļas.
“Sistemātisku nenoteiktību, stabilitāti un reproducējamību var uzskatīt par šo pulksteņu veiktspējas“ kara flush ”,” paziņojumā presei sacīja projekta vadītājs Endrjū Ludlovs. "Divu pulksteņu vienošanās šajā nepieredzētajā līmenī, ko mēs saucam par atkārtojamību, iespējams, ir vissvarīgākais rezultāts, jo tas būtībā prasa un pamato pārējos divus rezultātus."
Einšteins mums parādīja, ka laiks paiet atšķirīgi atkarībā no tā, cik nopietns ir arī tu. Atomu kutēšana atomu pulkstenī tiek palēnināta, ja tiek novērota spēcīgāka gravitācija. Augšpusē kalns Piemēram, Everests, laiks pārvietojas ātrāk nekā Marianas tranšejas apakšā. Tas ir tāpēc, ka šeit, uz Zemes, smaguma spēks ir koncentrēts planētas centrā. Jo tālāk jūs esat prom no centra, jo mazāk gravitācijas ir. Efekts nav lielisks, iespējams, tikai sekundes miljondaļas. Bet tas ir tur. Tas kaut kā šķiet pretrunīgi intuitīvs, bet to parādīja Einšteins, un viņš ir pierādījis savu pareizību.
Šī jaunā atomu pulksteņa izņēmums ir tas, ka tā demonstrētā reproducējamība nozīmē, ka pulksteņa kļūda ir mazāka par mūsu spēju noteikt gravitācijas efektu laikā uz Zemes.
NIST fiziķis Endrjū Ludlovs to skaidro šādi: “… demonstrētā reproducējamība parāda, ka pulksteņu kopējā kļūda ir mazāka par mūsu vispārējo spēju atspoguļot gravitācijas ietekmi uz laiku uz Zemes. Tā kā mēs iedomājamies, ka pulksteņi tiek izmantoti visā valstī vai pasaulē, to relatīvo sniegumu pirmo reizi ierobežos Zemes gravitācijas efekti. ”
Fiziķi saka, ka tagad, kad mums ir pulkstenis, kura precizitāte ir lielāka par gravitācijas efektu laikā, mēs varam izmantot pulksteni, lai izmērītu Zemes gravitācijas formu. Parasti Zemes gravitācijas formas mērīšana ir tās plūdmaiņu mērīšana. Tiek izmantoti pa visu pasauli novietotie plūdmaiņu mērītāji, taču to precizitāte ir tikai ar vairākiem centimetriem. Jaunie pulksteņi šo precizitāti varētu samazināt līdz vienam centimetram.
Faktiski šos ytterbium pulksteņus var izmantot, lai izmērītu daudz vairāk nekā Zemes gravitācijas formu. Tos var izmantot, lai izmērītu pašu telpas laiku un noteiktu gravitācijas viļņus no agrīnā Visuma. Iespējams, ka viņi pat varēja izmērīt tumšo vielu. Šajā precizitātes un precizitātes līmenī šis instruments ir daudz vairāk nekā tikai pulkstenis.
Tādu pulksteni kā ytterbium var ietekmēt ne tikai smagums. Cita ietekme uz vidi var izjaukt ierīces precizitāti. Tie jāuztur atdzesēti un jāizolē no visiem klaiņojošajiem elektriskajiem laukiem. Jaunie pulksteņi ir pasargāti no elektriskiem un karstuma efektiem, lai tos varētu uzskaitīt un labot.
Ar tādiem uzlabojumiem kā elektriskais un termiskais vairogs, fiziķi būvē portatīvos ytterbium pulksteņus, kurus var transportēt uz dažādām laboratorijām, lai izmērītu un salīdzinātu citus pulksteņus. Viņus varētu arī pārvietot uz citām vietām, lai izpētītu relativistiskās ģeodēzijas tehnikas. Tas būtu spēles mainītājs, jo šobrīd mūsu labākie atomu pulksteņi ir istabas lieluma, tā sauktie “strūklaku pulksteņi”, kuru otrajā noteikšanā izmanto cēzija atomu.
Bet tas viss varētu mainīties līdz ar jaunajiem pulksteņiem.
Iepriekšējo atomu pulksteņu pamatā ir cēzija elements, kas līdz šim nodrošināja visprecīzāko pieejamo laika uzskaiti. Cēzija atoma vibrācija tiek izmantota kopš 1960. gadiem, lai definētu vienas sekundes ilgumu Starptautiskajā vienību sistēmā (ISU). Bet, attīstoties ytterbium pulkstenim, caēzija laiks varētu būt beidzies.
Pirmais cēzija pulkstenis tika uzcelts 1955. gadā, un kopš tā laika tas ir bijis zelta standarts. Oficiālā otrā definīcija, ja jūs interesē, tiek izmantota kopš 1967. gada. Tajā teikts: “Otrais ir 9 192 631 770 starojuma periodu ilgums, kas atbilst pārejai starp diviem zemes hiperfinansiālajiem līmeņiem. cēzija 133 atoma stāvoklis. ” Tad 1997. gadā viņi to paskaidroja, ka cezijam bija jābūt 0 Kelvina temperatūrā.
Citi atompulksteņi ir būvēti, izmantojot rubīdiju, kuru var padarīt pārnēsājamu. Tie nav tik precīzi kā cēzijs, taču ir pietiekami labi lietojumprogrammām, piemēram, GPS, mobilo tālruņu bāzes stacijām un televīzijas staciju frekvences kontrolei. Bet, attīstot jauno atomu pulksteni, izmantojot ytterbium atomu, mums var būt labākās no abām pasaulēm: nepieredzēta zinātniskā precizitāte un pārnesamība.
Jaunais ytterbium atomu pulkstenis ir vadošais kandidāts, lai atkārtoti definētu definīciju, cik viena līnija ir viena sekunde. Tas notiek tāpēc, ka tas atbilst Starptautiskās mērvienību sistēmas noteiktajam precizitātes slieksnim. Šī iestāde sacīja, ka jebkurai jaunai definīcijai būs nepieciešams simtkārtīgs uzlabojums validētās precizitātes ziņā salīdzinājumā ar cēzija pulksteņiem, kurus pašlaik izmanto, lai definētu otro.
Mēs kādreiz laiku definējām ar Zemes rotāciju, taču kopš tā laika esam gājuši tālu. Atomu pulkstenis, kas izmanto retzemju elementa pieskāriena ātrumu, lai izmērītu Zemes gravitācijas formu, gravitācijas viļņus no agrīnā Visuma un varbūt pat tumšo vielu ir kaut kas tāds, ko neviens vēsturisks cilvēks nekad nebūtu varējis uztvert, kad viņi iestrēdzis nūju zeme saules skalas sastādīšanai.
- Paziņojums presei: NIST atomu pulksteņi tagad pietiekami daudz laika, lai uzlabotu Zemes modeļus
- Pētniecības raksts: Atomu pulksteņu veiktspēja pārsniedz ģeodēziskās robežas
- MIT ziņas: Atomu laika uzskaite, atrodoties ceļā
- Wikipedia: atomu pulkstenis
- Wikipedia: Cēzija standarts
- Wikipedia: Atomu elektronu pāreja
