Füüsikud on välja töötanud aatomkella nii täpseks, et see lülitub 14 miljardi aasta jooksul välja vähem kui ühe sekundiga. Selline täpsus ja täpsus muudab selle enamaks kui lihtsalt ajanäitaja. See on võimas teaduslik instrument, mis suudab mõõta gravitatsioonilaineid, võtta Maa gravitatsioonilise kuju mõõtmeid ja võib-olla isegi tuvastada tumedat ainet.
Kuidas nad seda tegid?
Riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi füüsikud väidavad, et nende uus aatomkell põhineb haruldaste muldmetallide elemendil ytterbium. Nad kasutavad 1000 ytterbiumi aatomi püüdmiseks laserkiirte võre, mida nimetatakse optiliseks võraks. Aatomid loomulikult "linnukesed", vahetudes kahe energiatasandi vahel. Seda toimingut nimetatakse aatomielektroni üleminekuks ja see võtab nanosekundi. Iga kord, kui nad linnukese muudavad või energiataset muudavad, eraldavad elektronid mikrolaineenergiat, mida saab tuvastada. NIST-i füüsikud ehitasid neist ytterbiumi kelladest kaks ja nende võrdlemisega on nad saavutanud rekordilise jõudluse.
Seda rekordilist jõudlust mõõdetakse kolmel viisil:
- Süstemaatiline ebakindlus: kell näitab, kui hästi näitab kell ytterbiumi aatomite loomulikke vibratsioone. Ytterbiumi kell oli väljas vaid ühe miljardi miljardi kohta.
- Stabiilsus: see, kui palju muutub kellaaja sagedus kindlaksmääratud aja jooksul. Sel juhul mõõtsid nad oma ytterbium kella ja see muutus päeva jooksul vaid 0,00000000000000000032).
- Reprodutseeritavus: see mõõdab, kui tihedalt tiksub kaks ytterbium-kella sama sagedusega. 10 kellapaari võrdluses oli erinevus jällegi väiksem kui üks miljardik miljardist.
"Süstemaatilist ebakindlust, stabiilsust ja reprodutseeritavust võib pidada nende kellade toimimise" kuninglikuks löögiks "," ütles projekti juht Andrew Ludlow pressiteates. "Kahe kella kokkuleppimine sellel enneolematul tasemel, mida me nimetame reprodutseeritavaks, on võib-olla kõige olulisem tulemus, kuna see eeldab ja põhjendab põhimõtteliselt kahte muud tulemust."
Einstein näitas meile, et aeg möödub erinevalt, sõltuvalt teie raskusest. Aatomite kellas olevate aatomite tiksumine on tugevama gravitatsiooni korral aeglustunud. Ülaosas Mt. Näiteks Everest liigub aeg kiiremini kui Mariana kraavi põhjas. Seda seetõttu, et siin Maa peal on gravitatsioonijõud koondunud planeedi keskele. Mida kaugemal olete keskusest eemal, seda vähem on gravitatsiooni. Efekt pole suur, võib-olla ainult miljon sekundit. Kuid see on olemas. See näib kuidagi vastuoluline, kuid seda näitas Einstein ja ta on osutunud õigeks.
Selle uue aatomkella erandlik asi on see, et selle tõestatav reprodutseeritavus tähendab, et kella viga on väiksem kui meie võime tuvastada gravitatsioonilist mõju Maa peal õigel ajal.
NIST-i füüsik Andrew Ludlow selgitab seda nii: “... demonstreeritud reprodutseeritavus näitab, et kellade koguviga langeb alla meie üldise võime arvestada raskusjõu mõju ajaga siin Maa peal. Kuna me kujutame ette selliseid kellasid, nagu neid kasutataks kogu riigis või maailmas, oleks nende suhteline jõudlus esmakordselt piiratud Maa gravitatsiooniliste mõjudega. "
Füüsikud väidavad, et nüüd, kui meil on kell, mille täpsus on suurem kui ajaline gravitatsiooniefekt, saame kella abil mõõta Maa gravitatsioonilist kuju. Maa gravitatsioonilise kuju mõõtmise tavaline viis on loodete mõõtmine. Kasutatakse kogu maailmas asetatud loodete mõõdikuid, kuid nende täpsus on vaid mitme sentimeetri juures. Uued kellad võiksid selle täpsuse viia alla ühe sentimeetri.
Tegelikult saab neid ytterbiumi kellasid mõõta palju rohkem kui Maa gravitatsiooniline kuju. Neid saab kasutada ruumi-aja enda mõõtmiseks ja varajase universumi gravitatsiooniliste lainete tuvastamiseks. Võimalik, et nad mõõdavad isegi tumedat ainet. Sellel täpsuse ja täpsuse tasemel on see instrument palju enamat kui lihtsalt kell.
Sellist kella nagu ytterbium kell ei mõjuta mitte ainult gravitatsioon. Muud keskkonnamõjud võivad seadme täpsust rikkuda. Neid tuleb hoida jahutatuna ja need tuleb eraldada kõigist hulkuvatest elektriväljadest. Uued kellad on elektriliste ja kuumusefektide eest varjestatud, et neid saaks arvestada ja nende eest parandada.
Tänu sellistele täiustustele nagu elektriline ja termiline varjestus ehitavad füüsikud kaasaskantavaid ytterbium-kellasid, mida saab transportida erinevatesse laboritesse, et mõõta ja võrrelda teisi kellasid. Neid saaks ka teisaldada, et uurida relativistlikke geodeesia tehnikaid. See oleks mänguvahetaja, sest praegu on meie parimad aatomkellad toa suurused, nn purskkaevukellad, mis kasutavad teise määratlemiseks tseesiumi aatomit.
Kuid see võib kõigi uute kelladega muutuda.
Varasemad aatomkellad põhinevad tseesiumielemendil, mis seni võimaldas kõige täpsemat ajagraafikut. Tseesiumiaatomi vibratsiooni on kasutatud alates 1960. aastatest, et määratleda ühe sekundi kestus rahvusvahelises ühikute süsteemis (ISU). Kuid ytterbium-kella arenedes võib Caesiumi aeg olla möödas.
Esimene tseesiumkell ehitati 1955. aastal ja sellest ajast alates on see olnud kuldstandard. Teise ametlik määratlus, kui olete huvitatud, on olnud kasutusel aastast 1967. Selles öeldakse: „Teine on kiirguse 9 192 631 770 perioodi kestus, mis vastab üleminekule maapinna kahe ülitäpse taseme vahel tseesium 133 aatomi olek. ” Siis 1997. aastal täpsustasid nad, et tseesium peab olema 0 Kelvini.
Teiste aatomkellade ehitamiseks on kasutatud rubiidiumi, mida saab muuta kantavaks. Need pole nii täpsed kui tseesium, kuid on piisavalt head selliste rakenduste jaoks nagu GPS, mobiiltelefonide tugijaamad ja telejaamade sageduse juhtimiseks. Uue aatomkella väljatöötamisel, kasutades ytterbiumi aatomit, võib meil olla mõlemast maailmast parim: enneolematu teaduslik täpsus ja teisaldatavus.
Uus ytterbiumi aatomkell on juhtiv kandidaat, et määratleda ümber määratlus, kuidas ling üks sekund on. Selle põhjuseks on asjaolu, et see vastab täpsuse lävele, mille on määratlenud rahvusvaheline ühikute süsteem. See organ ütles, et iga uus määratlus nõuab valideeritud täpsuse 100-kordset parandamist võrreldes tseesiumkelladega, mida praegu kasutatakse teise määratlemiseks.
Me määratlesime aega Maa pöörde järgi, kuid oleme sellest ajast kaugele jõudnud. Aatomkell, milles kasutatakse haruldaste muldmetallide elemendi puugikiirust, et mõõta Maa gravitatsioonilist kuju, varajasest universumist pärit gravitatsioonilaineid ja võib-olla isegi tumedat ainet, mida ükski ajalooline inimene poleks kunagi osanud kujutada, kui nad kleepuvad kepi sisse maapind päikesevaliku tegemiseks.
- Pressiteade: NIST-i aatomkellad hoiavad Maa mudelite täiustamiseks aega piisavalt
- Uurimistöö: Aatomkella jõudlus ületab geodeetilist piiri
- MIT News: aatomi ajaarvestus, liikvel
- Vikipeedia: aatomkell
- Vikipeedia: tseesiumi standard
- Vikipeedia: aatomielektroni üleminek
