Физиците са разработили атомен часовник толкова точно, че той ще бъде изключен с по-малко от една секунда за 14 милиарда години. Този вид точност и прецизност го прави повече от просто часовник. Това е мощен научен инструмент, който може да измерва гравитационните вълни, да измерва гравитационната форма на Земята и дори да открива тъмна материя.
Как го направиха?
Физиците от Националния институт за стандарти и технологии казват, че новият им атомен часовник се основава на редкоземния елемент итербиум. Те използват решетка от лазерни лъчи, наречена оптична решетка, за да хванат 1000 атома итербий. Атомите естествено „тикнат“ чрез превключване между две нива на енергия. Това действие се нарича атомен електронен преход и са необходими наносекунди. Всеки път, когато те маркират или променят нивата на енергия, електроните излъчват микровълнова енергия, която може да бъде открита. Физиците от NIST изградиха два от тези итербиеви часовници и сравнявайки ги, постигнаха рекордни резултати.
Тази рекордна ефективност се измерва по три начина:
- Систематична несигурност: Това е колко добре часовникът представлява естествените вибрации на иттербиевите атоми. Иттербиевият часовник беше изключен само с една милиардна част от една милиардна.
- Стабилност: Това е колко честотата на часовника се променя в определено време. В този случай те измериха часовника си итербий и той се промени само с 0,00000000000000000032) за един ден.
- Възпроизводимост: Това измерва колко близо две часовници от итербий цъкат с една и съща честота. В 10 сравнения между двойката часовници, разликата отново беше по-малка от една милиардна част от милиарда.
„Систематичната несигурност, стабилност и възпроизводимост могат да се считат за„ кралски флъш “на производителността на тези часовници“, заяви ръководителят на проекта Андрю Лудлоу в съобщение за пресата. „Споразумението за двата часа на това безпрецедентно ниво, което ние наричаме възпроизводимост, е може би най-важният резултат, тъй като по същество изисква и обосновава другите два резултата.“
Айнщайн ни показа, че времето минава различно, в зависимост от тежестта, на която и вие сте обект. Тиктакането на атомите в атомен часовник се забавя, когато се наблюдава при по-силна гравитация. На върха на връх. Еверест, например, времето се движи по-бързо, отколкото в дъното на Марианския ров. Това е така, защото тук, на Земята, силата на гравитацията е концентрирана в центъра на планетата. Колкото по-далече сте от центъра, толкова по-малко гравитация има. Ефектът не е голям, може би само милионни секунди. Но е там Това изглежда някак контраинтуитивно, но това е показано от Айнщайн и той се оказа правилен.
Изключителното при този нов атомен часовник е, че той демонстрира възпроизводимост означава, че грешката на часовника е под нашата способност да откриваме гравитационния ефект във времето тук на Земята.
Физикът от NIST Андрю Лудлоу го обяснява така: „… демонстрираната възпроизводимост показва, че общата грешка на часовниците пада под общата ни способност да отчитаме влиянието на гравитацията върху времето тук на Земята. Следователно, тъй като предвиждаме часовници като тези, които се използват в цялата страна или света, тяхното относително представяне за първи път ще бъде ограничено от гравитационните ефекти на Земята. "
Физиците казват, че сега, когато имаме часовник, който точността е по-голяма от гравитационния ефект върху времето, можем да използваме часовника, за да измерим гравитационната форма на Земята. Обичайният начин за измерване на земната гравитационна форма е чрез измерване на приливите и отливите. Използват се приливни габарити, поставени по целия свят, но тяхната точност е само с няколко сантиметра. Новите часовници могат да намалят тази точност до по-малко от един сантиметър.
Всъщност тези часовници от итербий могат да се използват за измерване на много повече от гравитационната форма на Земята. Те могат да се използват за измерване на самото пространство-време и за откриване на гравитационни вълни от ранната Вселена. Възможно е дори да измерят тъмна материя. При това ниво на точност и прецизност този инструмент е много повече от просто часовник.
Не само гравитацията може да повлияе на часовник като итербиевия часовник. Други въздействия върху околната среда могат да нарушат точността на устройството. Те трябва да се охлаждат и да бъдат изолирани от всякакви бездомни електрически полета. Новите часовници са защитени от електрически и топлинни ефекти, така че да могат да се отчитат и коригират.
С подобрения като електрическо и термично екраниране, физиците изграждат преносими часовници от итербий, които могат да бъдат транспортирани до различни лаборатории, за да измерват и сравняват други часовници. Те също могат да бъдат преместени на други места, за да изучават техники за релативистка геодезия. Това би било смяна на играта, защото в момента най-добрите ни атомни часовници са с размер на стаята, така наречените „фонтани“, които използват цезиевия атом за определяне на втория.
Но всичко това може да се промени с новите часовници.
Предишните атомни часовници са базирани на елемента цезий, който досега осигуряваше най-точното налично време. Вибрацията на цезиевия атом се използва от 60-те години за определяне продължителността на една секунда в Международната система от единици (ISU). Но с развитието на итербиевия часовник времето на цезия може да изтече.
Първият цезиев часовник е построен през 1955 г. и оттогава той е златният стандарт. Официалното определение на второто, ако се интересувате, се използва от 1967 г. В него се казва: „Вторият е продължителността на 9 192 631 770 периода на радиация, съответстваща на прехода между двете хиперфини нива на земята. състояние на атома на цезий 133. “ След това през 1997 г. го изясниха, за да означава, че цезият трябва да е 0 0 Келвин.
Други атомни часовници са изградени с помощта на рубидий, който може да се направи преносим. Те не са толкова точни като цезия, но са достатъчно добри за приложения като GPS, базови станции за мобилни телефони и за контрол на честотата на телевизионните станции. Но с развитието на новия атомен часовник, използващ атома на итербия, може да имаме най-доброто от двата свята: безпрецедентна научна точност и преносимост.
Новият атомен часовник на итербий е водещ кандидат за предефиниране на дефиницията на това колко е една секунда. Това е така, защото отговаря на прага на точност, определен от Международната система от единици. Този орган каза, че всяка нова дефиниция ще изисква 100-кратно подобрение на валидираната точност спрямо цезиевите часовници, използвани понастоящем за определяне на втория.
Използвахме да определяме времето чрез въртенето на Земята, но от тогава сме изминали дълъг път. Атомен часовник, използващ скоростта на тик на рядкоземен елемент за измерване на гравитационната форма на Земята, гравитационните вълни от ранната Вселена и може би дори тъмната материя е нещо, което исторически човек не би могъл да си представи, когато забие пръчка в земята, за да направите слънчев циферблат.
- Прессъобщение: Атомните часовници NIST сега имат достатъчно време, за да подобрят моделите на Земята
- Изследователска книга: Работа на атомния часовник над геодезическата граница
- MIT News: Атомно време, в движение
- Уикипедия: Атомен часовник
- Уикипедия: Цезиев стандарт
- Уикипедия: Атомен електронен преход
