Fyzici vyvinuli atómové hodiny tak presné, že za 14 miliárd rokov by boli vypnuté o menej ako jednu sekundu. Tento druh presnosti a presnosti z neho robí viac než len hodinky. Je to mocný vedecký nástroj, ktorý dokáže merať gravitačné vlny, merať gravitačný tvar Zeme a možno dokonca detekovať temnú hmotu.
Ako to urobili?
Fyzici z Národného inštitútu pre normy a technológie tvrdia, že ich nové atómové hodiny sú založené na prvku ytterbium vzácnych zemín. Používajú mriežku laserových lúčov nazývanú optická mriežka na zachytenie 1 000 atómov ytterbu. Atómy prirodzene „tikajú“ prepínaním medzi dvoma energetickými úrovňami. Táto akcia sa nazýva prechod atómovým elektrónom a vyžaduje nanosekundy. Zakaždým, keď začiarknu alebo zmenia úrovne energie, elektróny emitujú mikrovlnnú energiu, ktorú je možné zistiť. Fyzici NIST postavili dve z týchto hodín ytterbium a ich porovnaním dosiahli rekordný výkon.
Tento rekordný výkon sa meria tromi spôsobmi:
- Systematická neistota: Týmto spôsobom hodiny predstavujú prirodzené vibrácie atómov ytterbu. Hodiny ytterbium boli vypnuté iba o jednu miliardtinu z jednej miliardiny.
- Stabilita: Toto je miera zmeny frekvencie hodín v určenom čase. V tomto prípade zmerali svoje ytterbiové hodiny a zmenili sa iba o 0,0000000000000000000032) za deň.
- Reprodukovateľnosť: Týmto sa meria miera, do akej sa dva kliky ytterbium vyznačujú rovnakou frekvenciou. V 10 porovnaniach medzi hodinami bol rozdiel opäť menší ako jedna miliardtina miliardy.
„Systematickú neistotu, stabilitu a reprodukovateľnosť možno pre tieto hodiny považovať za„ kráľovský nával výkonu “, uviedol v tlačovej správe vedúci projektu Andrew Ludlow. „Súhlas oboch hodín na tejto bezprecedentnej úrovni, ktorú nazývame reprodukovateľnosť, je pravdepodobne jediným najdôležitejším výsledkom, pretože v podstate vyžaduje a zdôvodňuje ďalšie dva výsledky.“
Einstein nám ukázal, že čas plynie inak v závislosti od gravitácie, ktorej ste predmetom. Tikanie atómov v atómových hodinách sa spomalí, ak sa pozoruje pri silnejšej gravitácii. Na vrchole Mt. Napríklad Everest sa čas pohybuje rýchlejšie ako na dne priekopy Mariana. Je to preto, že tu na Zemi je gravitačná sila sústredená v strede planéty. Čím ďalej ste od centra, tým nižšia je gravitácia. Účinok nie je veľký, možno iba miliónty sekundy. Ale je to tam. Zdá sa, že to vyzerá kontraintuitívne, ale to je to, čo ukázal Einstein a preukázalo sa, že je správny.
Výnimočnou vecou týchto nových atómových hodín je to, že preukázaná reprodukovateľnosť znamená, že chyba hodín je pod našou schopnosťou zistiť gravitačný účinok na čas tu na Zemi.
Fyzik NIST Andrew Ludlow to vysvetľuje takto: „... preukázaná reprodukovateľnosť ukazuje, že celková chyba hodín klesne pod našu všeobecnú schopnosť vysvetliť vplyv gravitácie na čas tu na Zemi. Preto, ako si predstavujeme hodiny, ktoré sa používajú v krajine alebo svete, ich relatívna výkonnosť by bola po prvýkrát obmedzená gravitačnými účinkami Zeme. “
Fyzici tvrdia, že teraz, keď máme hodiny, ktorých presnosť je väčšia ako gravitačný účinok na čas, môžeme použiť hodiny na meranie gravitačného tvaru Zeme. Obvyklým spôsobom merania gravitačného tvaru Zeme je meranie prílivu a odlivu. Používajú sa prílivové meradlá umiestnené po celom svete, ale ich presnosť je iba niekoľko centimetrov. Nové hodiny by mohli znížiť túto presnosť na menej ako jeden centimeter.
V skutočnosti môžu byť tieto hodiny ytterbium použité na meranie oveľa viac ako gravitačného tvaru Zeme. Môžu byť použité na meranie času a času samotného a na detekciu gravitačných vĺn od raného vesmíru. Je možné, že dokážu zmerať aj temnú hmotu. Pri tejto úrovni presnosti a presnosti je tento prístroj oveľa viac ako len hodiny.
Hodiny ako ytterbiové hodiny môžu ovplyvniť nielen gravitácia. Presnosť zariadenia môže narušiť ďalšie účinky na životné prostredie. Musia byť udržiavané v chlade a musia byť izolované od akýchkoľvek bludných elektrických polí. Nové hodiny sú chránené pred elektrickými a tepelnými vplyvmi, aby ich bolo možné započítať a opraviť.
S vylepšeniami, ako je elektrické a tepelné tienenie, fyzici stavajú prenosné hodiny pre ytterbium, ktoré je možné prepravovať do rôznych laboratórií na meranie a porovnávanie iných hodín. Mohli by sa presunúť aj na iné miesta, kde študujú techniky relativistickej geodézie. To by bol menič hry, pretože v súčasnosti sú našimi najlepšími atómovými hodinami takzvané „fontánové hodiny“, ktoré používajú atóm cézia na definovanie druhého.
S novými hodinami by sa to všetko mohlo zmeniť.
Predchádzajúce atómové hodiny sú založené na prvku cézium, ktorý doteraz poskytoval najpresnejšie dostupné časové údaje. Vibrácia atómu cézia sa používa od šesťdesiatych rokov na definovanie trvania jednej sekundy v medzinárodnom systéme jednotiek (ISU). Ale s vývojom ytterbiových hodín môže byť čas cézia hore.
Prvé céziové hodiny boli postavené v roku 1955 a odvtedy boli zlatým štandardom. Oficiálna definícia druhej, ak máte záujem, sa používa od roku 1967. Hovorí: „Druhá je doba trvania žiarenia 9 192 631 770 období zodpovedajúcich prechodu medzi dvoma hladinami jemného zeme. stav atómu 133 cézia. “ Potom v roku 1997 objasnili, že cézium musí byť na 0 Kelvinoch.
Ostatné atómové hodiny boli vyrobené pomocou rubídia, ktoré sa môže stať prenosným. Nie sú také presné ako cézium, ale sú dosť dobré pre aplikácie ako GPS, základné stanice mobilných telefónov a pre kontrolu frekvencie televíznych staníc. S vývojom nových atómových hodín pomocou atómu ytterbium však môžeme mať to najlepšie z oboch svetov: bezprecedentnú vedeckú presnosť a prenosnosť.
Nové atómové hodiny ytterbia sú popredným kandidátom na nové definovanie toho, ako dlho je sekunda. Je to preto, že spĺňa hranicu presnosti definovanú v medzinárodnom systéme jednotiek. Tento orgán uviedol, že akákoľvek nová definícia by si vyžadovala 100-násobné zlepšenie overenej presnosti oproti céziovým hodinám, ktoré sa v súčasnosti používajú na definovanie druhej.
Boli sme zvyknutí definovať čas rotáciou Zeme, ale odvtedy sme prešli dlhú cestu. Atomové hodiny využívajúce rýchlosť kliešťov prvkov vzácnych zemín na meranie gravitačného tvaru Zeme, gravitačných vĺn od skorého Vesmíru a možno aj temnej hmoty je niečo, čo by žiadny historický človek nemohol nikdy zobraziť, keď uviazne na palicu zem, aby sa slnečné ciferník.
- Tlačová správa: Atómové hodiny NIST majú teraz dosť času na vylepšenie modelov Zeme
- Výskumná štúdia: Výkon atómových hodín nad geodetický limit
- Novinky MIT: Atómové meranie času, na cestách
- Wikipedia: Atómové hodiny
- Wikipedia: Cesium standard
- Wikipedia: Atómový elektrónový prechod
