Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει ένα ατομικό ρολόι τόσο ακριβές που θα σβήσει λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο σε 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό το είδος ακρίβειας και ακρίβειας το καθιστά κάτι περισσότερο από ένα ρολόι. Είναι ένα ισχυρό επιστημονικό όργανο που θα μπορούσε να μετρήσει τα βαρυτικά κύματα, να μετρήσει το βαρυτικό σχήμα της Γης και ίσως ακόμη και να ανιχνεύσει τη σκοτεινή ύλη.
Πώς το έκαναν;
Οι φυσικοί του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας λένε ότι το νέο ατομικό ρολόι τους βασίζεται στο στοιχείο σπάνιων γαιών ytterbium. Χρησιμοποιούν ένα πλέγμα ακτίνων λέιζερ που ονομάζεται οπτικό πλέγμα για να παγιδεύσουν άτομα 1000 ytterbium. Τα άτομα φυσικά «τσιμπούρι» αλλάζοντας μεταξύ δύο επιπέδων ενέργειας. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται μετάβαση ατομικών ηλεκτρονίων και χρειάζεται νανοσά δευτερόλεπτα για να συμβεί. Κάθε φορά που σημειώνουν ή αλλάζουν επίπεδα ενέργειας, τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ενέργεια μικροκυμάτων, η οποία μπορεί να ανιχνευθεί. Οι φυσικοί NIST δημιούργησαν δύο από αυτά τα ρολόγια ytterbium, και συγκρίνοντάς τα, έχουν επιτύχει πρωτοποριακή απόδοση.
Αυτή η πρωτοποριακή απόδοση μετράται με τρεις τρόπους:
- Συστηματική αβεβαιότητα: Αυτό είναι το πόσο καλά το ρολόι αντιπροσωπεύει τις φυσικές δονήσεις των ατόμων ytterbium. Το ρολόι ytterbium έχασε μόνο το ένα δισεκατομμύριο του ενός δισεκατομμυρίου.
- Σταθερότητα: Έτσι αλλάζει η συχνότητα του ρολογιού σε ένα καθορισμένο χρόνο. Σε αυτήν την περίπτωση, μέτρησαν το ρολόι ytterbium τους και άλλαξε μόνο κατά 0,00000000000000000032) σε μια ημέρα.
- Αναπαραγωγιμότητα: Αυτό μετρά πόσο κοντά σημειώνονται δύο ρολόγια ytterbium στην ίδια συχνότητα. Σε 10 συγκρίσεις μεταξύ του ζεύγους των ρολογιών, η διαφορά ήταν και πάλι μικρότερη από το ένα δισεκατομμύριο του δισεκατομμυρίου.
«Η συστηματική αβεβαιότητα, η σταθερότητα και η αναπαραγωγιμότητα μπορούν να θεωρηθούν ως« βασιλική έξαρση »απόδοσης για αυτά τα ρολόγια», δήλωσε ο αρχηγός του έργου Andrew Ludlow σε δελτίο τύπου. «Η συμφωνία των δύο ρολογιών σε αυτό το άνευ προηγουμένου επίπεδο, το οποίο αποκαλούμε αναπαραγωγιμότητα, είναι ίσως το πιο σημαντικό αποτέλεσμα, γιατί ουσιαστικά απαιτεί και τεκμηριώνει τα άλλα δύο αποτελέσματα.»
Ο Αϊνστάιν μας έδειξε ότι ο χρόνος περνά διαφορετικά ανάλογα με τη βαρύτητα που υπόκεινται επίσης. Το χτύπημα των ατόμων σε ένα ατομικό ρολόι επιβραδύνεται όταν παρατηρείται σε ισχυρότερη βαρύτητα. Στην κορυφή του βουνού Το Έβερετ, για παράδειγμα, ο χρόνος κινείται πιο γρήγορα από ό, τι στο κάτω μέρος της τάφρου Mariana. Αυτό συμβαίνει επειδή, εδώ στη Γη, η δύναμη της βαρύτητας συγκεντρώνεται στο κέντρο του πλανήτη. Όσο πιο μακριά είστε από το κέντρο, τόσο μικρότερη είναι η βαρύτητα. Το αποτέλεσμα δεν είναι μεγάλο, ίσως μόνο το ένα εκατοστό του δευτερολέπτου. Αλλά είναι εκεί. Αυτό φαίνεται κάπως αντιδιαισθητικό, αλλά αυτό έδειξε ο Αϊνστάιν και αποδείχθηκε σωστό.
Το εξαιρετικό πράγμα για αυτό το νέο ατομικό ρολόι είναι ότι αποδεικνύεται αναπαραγωγιμότητα σημαίνει ότι το σφάλμα του ρολογιού είναι κάτω από την ικανότητά μας να ανιχνεύουμε τη βαρυτική επίδραση στο χρόνο εδώ στη Γη.
Ο φυσικός NIST Andrew Ludlow το εξηγεί ως εξής: «… η αποδεδειγμένη αναπαραγωγιμότητα δείχνει ότι το συνολικό σφάλμα των ρολογιών πέφτει κάτω από τη γενική μας ικανότητα να εξηγούμε την επίδραση της βαρύτητας στο χρόνο εδώ στη Γη. Ως εκ τούτου, καθώς οραματιζόμαστε ρολόγια σαν αυτά να χρησιμοποιούνται σε όλη τη χώρα ή τον κόσμο, η σχετική απόδοσή τους θα περιορίζεται, για πρώτη φορά, από τα βαρυτικά αποτελέσματα της Γης. "
Οι φυσικοί λένε ότι τώρα που έχουμε ένα ρολόι που η ακρίβεια είναι μεγαλύτερη από τη βαρυτική επίδραση στο χρόνο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το ρολόι για να μετρήσουμε το βαρυτικό σχήμα της Γης. Ο συνηθισμένος τρόπος μέτρησης του βαρυτικού σχήματος της Γης είναι με μέτρηση της παλίρροιας. Χρησιμοποιούνται παλιρροιακοί μετρητές σε όλο τον κόσμο, αλλά η ακρίβειά τους είναι μόνο με αρκετά εκατοστά. Τα νέα ρολόγια θα μπορούσαν να μειώσουν την ακρίβεια σε λιγότερο από ένα εκατοστό.
Στην πραγματικότητα, αυτά τα ρολόγια ytterbium μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση πολύ περισσότερο από το βαρυτικό σχήμα της Γης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση του ίδιου του χωροχρόνου και για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από το πρώιμο σύμπαν. Είναι πιθανό να μετρήσουν ακόμη και τη σκοτεινή ύλη. Σε αυτό το επίπεδο ακρίβειας και ακρίβειας, αυτό το όργανο είναι κάτι περισσότερο από ένα ρολόι.
Δεν είναι μόνο η βαρύτητα που μπορεί να επηρεάσει ένα ρολόι όπως το ρολόι ytterbium. Άλλες περιβαλλοντικές επιπτώσεις μπορεί να διαταράξουν την ακρίβεια της συσκευής. Πρέπει να διατηρούνται σε ψύξη και να είναι απομονωμένα από τυχόν αδέσποτα ηλεκτρικά πεδία. Τα νέα ρολόγια είναι προστατευμένα από ηλεκτρικά και θερμικά εφέ, έτσι ώστε να μπορούν να λογίζονται και να διορθώνονται.
Με βελτιώσεις όπως ηλεκτρική και θερμική θωράκιση, οι φυσικοί κατασκευάζουν φορητά ρολόγια ytterbium που μπορούν να μεταφερθούν σε διαφορετικά εργαστήρια για τη μέτρηση και τη σύγκριση άλλων ρολογιών. Θα μπορούσαν επίσης να μετακινηθούν σε άλλες τοποθεσίες για να μελετήσουν σχετικιστικές τεχνικές γεωδαισίας. Αυτό θα ήταν ένα παιχνίδι αλλαγής, επειδή επί του παρόντος, τα καλύτερα ατομικά ρολόγια μας είναι μεγέθους δωματίου, τα λεγόμενα "ρολόγια κρήνης" που χρησιμοποιούν το άτομο καισίου για να ορίσουν το δεύτερο.
Αλλά αυτό θα μπορούσε να αλλάξει με τα νέα ρολόγια.
Τα προηγούμενα ατομικά ρολόγια βασίζονται στο στοιχείο καισίου, το οποίο μέχρι τώρα παρείχε την πιο ακριβή διαθέσιμη χρονομέτρηση. Η δόνηση του ατόμου καισίου χρησιμοποιείται από τη δεκαετία του 1960 για τον καθορισμό της διάρκειας ενός δευτερολέπτου στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (ISU). Αλλά με την ανάπτυξη του ρολογιού ytterbium, ο χρόνος του καισίου μπορεί να έχει τελειώσει.
Το πρώτο ρολόι καισίου χτίστηκε το 1955 και έκτοτε είναι το χρυσό πρότυπο. Ο επίσημος ορισμός του δεύτερου, αν σας ενδιαφέρει, χρησιμοποιείται από το 1967. Λέει: «Ο δεύτερος είναι η διάρκεια των 9 192 631 770 περιόδων ακτινοβολίας που αντιστοιχούν στη μετάβαση μεταξύ των δύο επιπέδων της υπεροχής του εδάφους κατάσταση του ατόμου καισίου 133. " Στη συνέχεια, το 1997 το διευκρίνισαν ότι το καίσιο έπρεπε να είναι 0 Kelvin.
Άλλα ατομικά ρολόγια έχουν κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας ρουβίδιο, το οποίο μπορεί να γίνει φορητό. Δεν είναι τόσο ακριβή όσο το καίσιο, αλλά είναι αρκετά καλά για εφαρμογές όπως GPS, σταθμούς βάσης κινητού τηλεφώνου και για τον έλεγχο της συχνότητας των τηλεοπτικών σταθμών. Αλλά με την ανάπτυξη του νέου ατομικού ρολογιού που χρησιμοποιεί το άτομο ytterbium, μπορεί να έχουμε το καλύτερο και των δύο κόσμων: πρωτοφανή επιστημονική ακρίβεια και φορητότητα.
Το νέο ατομικό ρολόι ytterbium είναι ο κορυφαίος υποψήφιος για να επαναπροσδιορίσει τον ορισμό του πώς είναι ένα δευτερόλεπτο. Αυτό συμβαίνει επειδή πληροί το όριο ακρίβειας που ορίζεται από το Διεθνές Σύστημα Μονάδων. Αυτό το σώμα είπε ότι οποιοσδήποτε νέος ορισμός θα απαιτούσε 100 φορές βελτίωση στην επικυρωμένη ακρίβεια έναντι των ρολογιών καισίου που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για τον ορισμό του δεύτερου.
Συνήθιζα να ορίζουμε τον χρόνο από την περιστροφή της Γης, αλλά έχουμε διανύσει πολύ δρόμο από τότε. Ένα ατομικό ρολόι που χρησιμοποιεί το ρυθμό κρότου ενός στοιχείου σπάνιας γης για τη μέτρηση του βαρυτικού σχήματος της Γης, των βαρυτικών κυμάτων από το πρώιμο Σύμπαν και ίσως ακόμη και η σκοτεινή ύλη είναι κάτι που κανένας ιστορικός άνθρωπος δεν θα μπορούσε ποτέ να απεικονίσει όταν κολλούσαν ένα ραβδί μέσα το έδαφος για να κάνετε μια ηλιακή κλήση.
- Δελτίο Τύπου: Τα ατομικά ρολόγια NIST διατηρούν τον χρόνο αρκετά καλό για να βελτιώσουν τα μοντέλα της Γης
- Ερευνητικό έγγραφο: Απόδοση ατομικού ρολογιού πέρα από το γεωδαιτικό όριο
- Νέα του MIT: Ατομική χρονομέτρηση, εν κινήσει
- Wikipedia: Ατομικό ρολόι
- Wikipedia: Πρότυπο καισίου
- Wikipedia: Ατομική μετάβαση ηλεκτρονίων
