Fizikai sukūrė tokį tikslų atominį laikrodį, kad per 14 milijardų metų jis būtų išjungtas mažiau nei per vieną sekundę. Toks tikslumas ir tikslumas padaro jį ne tik laikrodį. Tai galingas mokslinis instrumentas, galintis išmatuoti gravitacines bangas, išmatuoti Žemės gravitacinę formą ir net aptikti tamsiąją medžiagą.
Kaip jie tai padarė?
Nacionalinio standartų ir technologijos instituto fizikai teigia, kad jų naujasis atominis laikrodis yra pagrįstas retųjų žemių elementu ytterbiu. Jie naudoja lazerio pluoštų tinklelį, vadinamą optiniu tinkleliu, kad sugaudytų 1000 ytterbio atomų. Atomai natūraliai „pažymės“ perjungdami du energijos lygius. Tas veiksmas vadinamas atominių elektronų perėjimu, ir jis trunka nanosekundėmis. Kiekvieną kartą pažymint ar keičiant energijos lygį, elektronai skleidžia mikrobangų energiją, kurią galima aptikti. NIST fizikai pastatė du iš šių ytterbio laikrodžių ir, palyginę juos, pasiekė rekordinius rezultatus.
Šis rekordinis spektaklis vertinamas trimis būdais:
- Sisteminis neapibrėžtumas: taip tiksliai laikrodis atspindi natūralius iterbio atomų virpesius. Ytterbiumo laikrodis buvo išjungtas tik viena milijardoji milijardoji dalis.
- Stabilumas: tai yra tai, kiek keičiasi laikrodžio dažnis per nurodytą laiką. Tokiu atveju jie išmatavo ytterbiumo laikrodį ir per dieną jis pasikeitė tik 0,00000000000000000032).
- Atkuriamumas: Tai matuoja, kaip arti du ytterbio laikrodžiai pažymimi tuo pačiu dažniu. Atliekant 10 palyginimų tarp laikrodžių porų, skirtumas vėl buvo mažesnis nei viena milijardoji milijardoji dalis.
„Sisteminis netikrumas, stabilumas ir atkuriamumas gali būti laikomas„ karališkuoju “šių laikrodžių atlikimo pliūpsniu“, - pranešime spaudai teigė projekto vadovas Andrew Ludlow. „Dviejų laikrodžių susitarimas šiame precedento neturinčiame lygyje, kurį mes vadiname atkuriamumu, yra bene svarbiausias rezultatas, nes jis iš esmės reikalauja ir pagrindžia kitus du rezultatus“.
Einšteinas parodė mums, kad laikas praeina skirtingai, priklausomai nuo jūsų sunkumo. Atomų žymėjimas atominiame laikrodyje sulėtėja, kai stebimas stipresnis sunkis. Virš kalno Pavyzdžiui, Everestas, laikas juda greičiau nei Marianos tranšėjos apačioje. Taip yra todėl, kad Žemėje gravitacijos jėga yra sutelkta planetos centre. Kuo toliau esate nuo centro, tuo mažiau gravitacijos. Poveikis nėra puikus, galbūt tik milijoninės sekundės sekundės. Bet ten yra. Kažkodėl tai atrodo intuityvu, tačiau tai parodė Einšteinas ir buvo įrodyta, kad jis teisingas.
Išskirtinis šio naujojo atominio laikrodžio dalykas yra tas, kad parodytas jo atkuriamumas reiškia, kad laikrodžio klaida yra mažesnė už mūsų galimybę nustatyti gravitacinį poveikį laiko atžvilgiu Žemėje.
NIST fizikas Andrew Ludlow paaiškina tai taip: „... parodytas atkuriamumas rodo, kad bendra laikrodžių paklaida nukrenta žemiau mūsų bendrosios galimybės įvertinti gravitacijos įtaką laikui Žemėje. Taigi, kai įsivaizduojame, kad tokie laikrodžiai yra naudojami visoje šalyje ar pasaulyje, jų santykinį veikimą pirmą kartą riboja Žemės gravitacinis poveikis. “
Fizikai sako, kad dabar, kai turime laikrodį, kurio tikslumas yra didesnis nei gravitacinis poveikis laike, mes galime naudoti laikrodį Žemės gravitacinei formai išmatuoti. Įprastas žemės gravitacinės formos matavimo būdas yra matuojant jos potvynius. Naudojami visame pasaulyje esantys potvynio matuokliai, tačiau jų tikslumas siekia tik kelis centimetrus. Nauji laikrodžiai šį tikslumą galėtų sumažinti iki mažiau nei vieno centimetro.
Tiesą sakant, šie ytterbio laikrodžiai gali būti naudojami išmatuoti daugiau nei Žemės gravitacinė forma. Jie gali būti naudojami pačiam erdvės laiko matavimui ir gravitacinių bangų aptikimui iš ankstyvosios visatos. Gali būti, kad jie netgi galėjo išmatuoti tamsiąją medžiagą. Šiame tikslumo ir tikslumo lygyje šis instrumentas yra daug daugiau nei tik laikrodis.
Tokį laikrodį kaip ytterbium gali veikti ne tik gravitacija. Kitas poveikis aplinkai gali sutrikdyti prietaiso tikslumą. Jie turi būti vėsinami ir izoliuoti nuo pašalinių elektrinių laukų. Nauji laikrodžiai yra apsaugoti nuo elektros ir šilumos poveikio, kad juos būtų galima suskaičiuoti ir taisyti.
Vykdydami patobulinimus, tokius kaip elektrinis ir šiluminis ekranai, fizikai stato nešiojamus laikrodžio laikrodžius, kuriuos galima gabenti į skirtingas laboratorijas, kad būtų galima išmatuoti ir palyginti kitus laikrodžius. Jie taip pat galėtų būti perkelti į kitas vietas, kad galėtų studijuoti reliatyvistinius geodezijos metodus. Tai būtų žaidimų keitiklis, nes šiuo metu geriausi mūsų atominiai laikrodžiai yra kambario dydžio, vadinamieji „fontanų laikrodžiai“, kurie sekundės apibrėžimui naudoja cezio atomą.
Bet visa tai galėtų pasikeisti su naujaisiais laikrodžiais.
Ankstesni atominiai laikrodžiai yra pagrįsti cezio elementu, kuris iki šiol teikė tiksliausią turimą laiko apskaitos metodą. Cezio atomo vibracija buvo naudojama nuo septintojo dešimtmečio siekiant apibrėžti vienos sekundės trukmę Tarptautinėje vienetų sistemoje (ISU). Tobulėjant iterbio laikrodžiui, cezio laikas gali baigtis.
Pirmasis cezio laikrodis buvo pastatytas 1955 m., Ir nuo to laiko jis buvo aukso standartas. Oficialus antrojo apibrėžimas, jei jus domina, buvo naudojamas nuo 1967 m. Jame sakoma: „Antrasis yra 9 192 631 770 radiacijos periodų, atitinkančių perėjimą tarp dviejų žemiausių žemės lygmenų, laikotarpis. cezio 133 atomo būsena. “ Tada 1997 m. Jie patikslino, kad cezis turi būti 0 Kelvinų.
Kiti atominiai laikrodžiai buvo pastatyti naudojant rubidį, kurį galima padaryti nešiojamą. Jie nėra tokie tikslūs kaip cezis, tačiau jie yra pakankamai geri tokioms programoms kaip GPS, mobiliųjų telefonų bazinės stotys ir televizijos stočių dažniui valdyti. Bet kurdami naują atominį laikrodį, naudojant iterbio atomą, galime turėti geriausius iš abiejų pasaulių: precedento neturintį mokslinį tikslumą ir perkeliamumą.
Naujasis ytterbio atominis laikrodis yra pagrindinis kandidatas iš naujo apibrėžti, kaip lyja viena sekundė. Taip yra todėl, kad jis atitinka Tarptautinės vienetų sistemos apibrėžtą tikslumo slenkstį. Ši įstaiga teigė, kad bet kokiam naujam apibrėžimui reikės šimta kartų pagerinti patvirtintą tikslumą, palyginti su cezio laikrodžiais, kurie šiuo metu naudojami apibrėžti antrąjį.
Mes laiką apibrėžėme pagal Žemės sukimąsi, tačiau nuo to laiko nuėjome ilgą kelią. Atominis laikrodis, naudojantis retųjų žemių elemento pakitimo laipsnį, kad būtų galima išmatuoti Žemės gravitacinę formą, gravitacines bangas iš ankstyvosios Visatos ir galbūt net tamsiąją medžiagą, ko dar niekas negalėjo suvokti istorinis žmogus, įklijavęs lazdą. žemė, kad būtų galima rinkti saulės spindulius.
- Pranešimas spaudai: „NIST“ atominiai laikrodžiai dabar turi pakankamai laiko, kad būtų patobulinti žemės modeliai
- Tyrimo dokumentas: Atominio laikrodžio veikimas viršija geodezinę ribą
- MIT žinios: atominis laiko planavimas kelyje
- Vikipedija: atominis laikrodis
- Vikipedija: Cezio standartas
- Vikipedija: Atomų elektronų perėjimas
