Fyysikot ovat kehittäneet atomikello niin tarkkaa, että se poistuisi vähemmän kuin sekunnilla sekunnissa 14 miljardissa vuodessa. Tällainen tarkkuus tekee siitä enemmän kuin vain kellon. Se on tehokas tieteellinen instrumentti, joka voi mitata painovoima-aaltoja, ottaa mittaa Maan gravitaatiomuodosta ja ehkä jopa havaita tumman aineen.
Kuinka he tekivät sen?
Kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin fyysikot sanovat, että heidän uusi atomikello perustuu harvinaisten maametallien ytterbiumiin. He käyttävät lasersäteiden ristikkoa, jota kutsutaan optiseksi hilaksi, 1000 ytterbiumatomin vangitsemiseen. Atomit luonnollisesti “tikkaavat” vaihtamalla kahden energiatason välillä. Tätä toimintaa kutsutaan atomielektronimuutokseksi, ja se vie nanosekuntia. Joka kerta kun ne merkitsevät tai muuttavat energiatasoja, elektronit lähettävät mikroaaltoenergiaa, joka voidaan havaita. NIST-fyysikot rakensivat kaksi näistä ytterbium-kelloista, ja vertaamalla he ovat saavuttaneet ennätyksellisen suorituskyvyn.
Tätä ennätyksellistä suorituskykyä mitataan kolmella tavalla:
- Systemaattinen epävarmuus: Näin kello edustaa ytterbiumatomien luonnollisia värähtelyjä. Ytterbium-kello oli vain miljardilla miljardilla.
- Vakaus: Tämä on kuinka paljon kellon taajuus muuttuu määritettyyn aikaan. Tässä tapauksessa he mittasivat ytterbiumkellonsa ja se muuttui vain 0,00000000000000000032) päivässä.
- Toistettavuus: Tämä mittaa, kuinka tarkasti kaksi ytterbiumkellon merkitsevät samalla taajuudella. Kymmenessä vertailussa kelloparien välillä ero oli jälleen alle miljardi miljardia.
"Järjestelmällistä epävarmuutta, vakautta ja toistettavuutta voidaan pitää näiden kellojen suorituskyvyn" kuninkaallisena värinä ", projektinjohtaja Andrew Ludlow sanoi lehdistötiedotteessa. "Kahden kellon sopimus tällä ennennäkemättömällä tasolla, jota kutsumme toistettavuudeksi, on ehkä tärkein ainoa tulos, koska se vaatii ja perustelee kaksi muuta tulosta."
Einstein osoitti meille, että aika kuluu eri tavalla riippuen myös sinun painosta. Atomien tikittyminen atomikellossa hidastuu, kun niitä havaitaan voimakkaammassa painovoimassa. Mt. Esimerkiksi Everest, aika liikkuu nopeammin kuin Marianan kaivannon alaosassa. Se 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 miljoonasosa sekunnista. Mutta se on siellä. Se näyttää jotenkin olevan intuitiivinen, mutta juuri sen Einstein osoitti, ja hänen on osoitettu olevan oikea.
Poikkeuksellinen asia tässä uudessa atomikellossa on, että sen osoitettu toistettavuus tarkoittaa, että kellon virhe on alle kykymme havaita painovoimavaikutus ajallaan täällä maan päällä.
NIST-fyysikko Andrew Ludlow selittää sen seuraavasti: “… osoitettu toistettavuus osoittaa, että kellojen kokonaisvirhe laskee alle meidän yleisen kykymme ottaa huomioon painovoiman vaikutukset ajallaan täällä maan päällä. Siksi, kun kuvittelemme tällaisten kellojen käyttöä ympäri maata tai maailmaa, niiden suhteellista suorituskykyä rajoittaisivat ensimmäistä kertaa maapallon gravitaatiovaikutukset. "
Fyysikot sanovat, että nyt, kun meillä on kello, jonka tarkkuus on suurempi kuin painovoimavaikutus ajoissa, voimme käyttää kelloa mittaamaan maan gravitaatiomuodon. Tavallinen tapa mitata maan gravitaatiomuoto on mittaamalla sen vuorovedet. Käytetään ympäri maailmaa sijaitsevia vuorovesimittareita, mutta niiden tarkkuus on vain useilla senttimetreillä. Uudet kellot saattavat alentaa tarkkuuden alle senttimetriin.
Itse asiassa näitä ytterbium-kelloja voidaan käyttää mittaamaan paljon enemmän kuin Maan painovoimainen muoto. Niitä voidaan käyttää itse avaruus-ajan mittaamiseen ja gravitaatioaaltojen havaitsemiseen varhaisuniversumista. On mahdollista, että he voivat mitata jopa tumman aineen. Tällä tarkkuuden ja tarkkuuden tasolla tämä instrumentti on paljon enemmän kuin vain kello.
Kello kuten ytterbium-kello, ei vain painovoima voi vaikuttaa. Muut ympäristövaikutukset voivat häiritä laitteen tarkkuutta. Niitä on pidettävä jäähdytettynä ja ne on eristettävä kaikista hajaisista sähkökentistä. Uudet kellot on suojattu sähkö- ja lämpövaikutuksilta, jotta ne voidaan laskea ja korjata.
Parannuksilla, kuten sähköisellä ja lämpösuojauksella, fyysikot rakentavat kannettavia ytterbium-kelloja, jotka voidaan kuljettaa erilaisiin laboratorioihin muiden kellojen mittaamiseksi ja vertaamiseksi. Ne voidaan myös siirtää muihin paikkoihin tutkimaan relativistisia geodeesitekniikoita. Tämä olisi pelinvaihtaja, koska tällä hetkellä parhaat atomikellojamme ovat huoneen kokoisia, ns. "Suihkulähdekellot", jotka käyttävät cesiumatomia toisen määrittelemiseen.
Mutta se kaikki voisi olla muuttumassa uusien kellojen myötä.
Aikaisemmat atomikellat perustuvat cesium-elementtiin, joka toistaiseksi tarjosi tarkemman käytettävissä olevan ajankäytön. Cesiumatomin värähtelyä on käytetty 1960-luvulta lähtien yhden sekunnin keston määrittelemiseksi kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (ISU). Mutta ytterbiumkellon kehittyessä caesiumin aika saattaa olla ohitse.
Ensimmäinen cesiumkello rakennettiin vuonna 1955, ja siitä lähtien se on ollut kultastandardi. Toisen virallinen määritelmä, jos olet kiinnostunut, on ollut käytössä vuodesta 1967. Siinä sanotaan: ”Toinen on 9 192 631 770 säteilyjakson kesto, joka vastaa siirtymistä maan kahden hienotason välillä. cesium 133 -atomin tila. " Sitten vuonna 1997 he selvittivät sen tarkoittavan, että cesiumin piti olla 0 Kelviniä.
Muita atomikelloja on rakennettu rubidiumilla, joka voidaan tehdä kannettavasta. Ne eivät ole yhtä tarkkoja kuin cesium, mutta ovat riittävän hyviä GPS-sovelluksiin, matkapuhelinten tukiasemiin ja televisioasemien taajuuden ohjaamiseen. Mutta kehittäessämme uutta atomikelloa ytterbiumatomia käyttämällä, meillä voi olla molemmista maailmoista parhaat puolet: ennennäkemätön tieteellinen tarkkuus ja siirrettävyys.
Uusi ytterbium-atomikello on johtava ehdokas määrittelemään uudelleen määritelmä siitä, kuinka ling-sekunti on. Tämä johtuu siitä, että se täyttää kansainvälisen yksikköjärjestelmän määrittelemän tarkkuuskynnyksen. Kyseinen elin sanoi, että mikä tahansa uusi määritelmä vaatisi 100-kertaista parannusta validoidussa tarkkuudessa verrattuna cesiumkelloihin, joita tällä hetkellä käytetään toisen määrittelemiseen.
Aika määrittelimme maan kiertämisen avulla, mutta olemme matkalla siitä kaukana. Atomikello, joka käyttää harvinaisten maametallien elementin tikinopeutta mittaamaan maan gravitaatiomuoto, varhaisuniversumin painovoima-aallot ja ehkä jopa tumma aine on jotain mitä historiallinen ihminen ei olisi koskaan voinut kuvitella, kun he olivat kiinni sauvassa maa auringonvalinnan tekemiseksi.
- Lehdistötiedote: NIST-atomikellojen pitää aika riittävästi parantaakseen maan malleja
- Tutkimuspaperi: Atomikellojen suorituskyky ylittää geodeettiset rajat
- MIT-uutiset: Atominen aikataulu tien päällä
- Wikipedia: Atomikello
- Wikipedia: Cesium-standardi
- Wikipedia: Atomielektronimuutos
