Fizicienii au dezvoltat un ceas atomic atât de precis încât acesta ar fi oprit cu mai puțin de o singură secundă în 14 miliarde de ani. Acest tip de precizie și precizie îl face mai mult decât o simplă orizontală. Este un instrument științific puternic care ar putea măsura undele gravitaționale, lua măsura formei gravitaționale a Pământului și poate chiar detecta materia întunecată.
Cum au făcut-o?
Fizicienii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie spun că noul lor ceas atomic se bazează pe elementul de pământ rar ytterbiu. Ei folosesc o grilă de fascicule cu laser numită grilă optică pentru a prinde 1000 de atomi de ytterbiu. Atomii „bifează” în mod natural prin trecerea între două niveluri de energie. Această acțiune se numește tranziție de electroni atomici și este nevoie de apariția nanosecundelor. De fiecare dată când bifează sau schimbă nivelul de energie, electronii emit energie cu microunde, care poate fi detectată. Fizicienii NIST au construit două dintre aceste ceasuri de ytterbiu și, comparându-le, au obținut performanțe record.
Această performanță de înregistrare este măsurată în trei moduri:
- Incertitudine sistematică: Acesta este cât de bine reprezintă ceasul vibrațiilor naturale ale atomilor de ytterbiu. Ceasul de ytterbium a fost oprit cu doar o miliardime dintr-o miliardime.
- Stabilitate: Aceasta este cât de mult se schimbă frecvența ceasului într-un timp specificat. În acest caz, ei și-au măsurat ceasul de ytterb și s-a schimbat cu doar 0.00000000000000000032) pe parcursul unei zile.
- Reproductibilitate: Aceasta măsoară cât de aproape două ceasuri de ytterb bifează la aceeași frecvență. În 10 comparații între perechea de ceasuri, diferența a fost din nou mai mică de o miliardime de miliardime.
„Incertitudinea sistematică, stabilitatea și reproductibilitatea pot fi considerate„ roșia regală ”a performanței pentru aceste ceasuri”, a declarat liderul de proiect Andrew Ludlow într-un comunicat de presă. „Acordul celor două ceasuri la acest nivel fără precedent, pe care îl numim reproductibilitate, este poate cel mai important rezultat, deoarece necesită în mod esențial și fundamentează celelalte două rezultate."
Einstein ne-a arătat că timpul trece diferit în funcție de gravitatea la care ești supus. Marcarea atomilor într-un ceas atomic este încetinită atunci când este observată cu o gravitate mai puternică. Pe vârful Muntelui. Everest, de exemplu, timpul se mișcă mai repede decât în partea de jos a tranșei Mariana. Asta pentru că, aici, pe Pământ, forța gravitației este concentrată în centrul planetei. Cu cât ești mai departe de centru, cu atât este mai puțin gravitația. Efectul nu este mare, poate doar o milionime de secundă. Dar este acolo. Asta pare contra-intuitiv cumva, dar asta a arătat Einstein și s-a dovedit corect.
Lucrul excepțional al acestui nou ceas atomic este faptul că reproductibilitatea demonstrată înseamnă că eroarea ceasului este sub capacitatea noastră de a detecta efectul gravitațional la timp aici, pe Pământ.
Fizicianul NIST, Andrew Ludlow, îl explică astfel: „… reproductibilitatea demonstrată arată că eroarea totală a ceasurilor scade sub capacitatea noastră generală de a da seama de efectul gravitației la timp aici, pe Pământ. Prin urmare, pe măsură ce preconizăm ceasuri ca acestea fiind utilizate în întreaga țară sau în lume, performanța lor relativă ar fi, pentru prima dată, limitată de efectele gravitaționale ale Pământului. "
Fizicienii spun că acum, când avem un ceas cu exactitate mai mare decât efectul gravitațional la timp, putem folosi ceasul pentru a măsura forma gravitațională a Pământului. Modul obișnuit de a măsura forma gravitațională a Pământului este prin măsurarea valurilor sale. Se folosesc indicatoare de mare plasate în întreaga lume, dar precizia lor este doar cu câțiva centimetri. Noile ceasuri ar putea reduce această precizie la mai puțin de un singur centimetru.
De fapt, aceste ceasuri de ytterbium pot fi folosite pentru a măsura mult mai mult decât forma gravitațională a Pământului. Ele pot fi folosite pentru a măsura spațiul-timp în sine și pentru a detecta undele gravitaționale din universul timpuriu. Este posibil să poată măsura chiar și materia întunecată. La acest nivel de precizie și precizie, acest instrument este mult mai mult decât un simplu ceas.
Nu este doar gravitația care poate afecta un ceas precum ceasul ytterbium. Alte efecte asupra mediului pot perturba exactitatea dispozitivului. Trebuie menținute la răcire și trebuie izolate de orice câmpuri electrice rătăcite. Noile ceasuri sunt protejate de efectele electrice și termice, astfel încât să poată fi contabilizate și corectate.
Cu îmbunătățiri precum ecranarea electrică și termică, fizicienii construiesc ceasuri portabile de ytterbiu care pot fi transportate la laboratoare diferite pentru a măsura și compara alte ceasuri. De asemenea, ar putea fi mutați în alte locații pentru a studia tehnicile de geodezie relativistă. Acesta ar fi un schimbător de jocuri, deoarece în prezent, cele mai bune ceasuri atomice noastre sunt de dimensiunea camerei, așa-numitele „ceasuri de fântână” care folosesc atomul de cesiu pentru a defini al doilea.
Dar toate acestea ar putea fi pe cale de a se schimba cu noile ceasuri.
Ceasurile atomice anterioare se bazează pe elementul de cesiu, care până acum oferea cea mai precisă cronometrare disponibilă. Vibrația atomului de cesiu a fost folosită încă din anii '60 pentru a defini durata unei singure secunde în Sistemul Internațional de Unități (ISU). Dar, odată cu dezvoltarea ceasului de ytterbium, timpul caesiumului s-ar putea să treacă.
Primul ceas de cesiu a fost construit în 1955, iar de atunci a fost standardul de aur. Definiția oficială a celei de-a doua, dacă sunteți interesat, este folosită încă din 1967. Acesta spune: „A doua este durata a 9 192 631 770 de perioade de radiație corespunzătoare tranziției între cele două niveluri hiperfine ale solului starea atomului de cesiu 133. " Apoi, în 1997, au clarificat-o pentru a însemna că cesiul trebuie să fie la 0 Kelvin.
Alte ceasuri atomice au fost construite folosind rubidiu, care poate fi făcut portabil. Nu sunt la fel de exacte ca cesiul, dar sunt suficient de bune pentru aplicații precum GPS, stațiile de bază pentru telefonul mobil și pentru controlul frecvenței posturilor de televiziune. Dar odată cu dezvoltarea noului ceas atomic folosind atomul de ytterbiu, este posibil să avem cel mai bun dintre ambele lumi: precizie științifică fără precedent și portabilitate.
Noul ceas atomic de ytterbium este un candidat principal pentru a redefini definiția modului în care este o secundă. Acest lucru se datorează faptului că respectă pragul de precizie definit de Sistemul internațional de unități. Acest organism a spus că orice nouă definiție ar necesita o îmbunătățire de 100 de ori a preciziei validate față de ceasurile de cesiu utilizate în prezent pentru a defini a doua.
Am definit timpul prin rotația Pământului, dar am parcurs un drum lung de atunci. Un ceas atomic care utilizează rata de bifare a unui element de pământ rar pentru a măsura forma gravitațională a Pământului, valuri gravitaționale din Universul timpuriu și poate chiar și materia întunecată este ceva ce niciun om istoric nu și-ar fi putut imagina când au lipit un băț în terenul pentru a face un cadran solar.
- Comunicat de presă: Ceasurile atomice NIST Acum menține suficient timp pentru a îmbunătăți modelele de Pământ
- Document de cercetare: performanța ceasului atomic dincolo de limita geodezică
- Știri MIT: cronometru atomic, din mers
- Wikipedia: Ceas atomic
- Wikipedia: Cesium standard
- Wikipedia: tranziție de electroni atomici
