Фізики розробили атомний годинник настільки точним, що він вимкнеться менше ніж на одну секунду за 14 мільярдів років. Така точність і точність робить це більше, ніж просто годинником. Це потужний науковий прилад, який може вимірювати гравітаційні хвилі, вимірювати гравітаційну форму Землі і, можливо, навіть виявляти темну речовину.
Як вони це зробили?
Фізики Національного інституту стандартів і технологій кажуть, що їхній новий атомний годинник заснований на рідкісноземельному елементі іттербій. Вони використовують сітку лазерних променів, звану оптичною решіткою, щоб захопити 1000 атомів іттербію. Атоми природним чином «галочують» шляхом перемикання між двома енергетичними рівнями. Ця дія називається атомним переходом електронів, і для цього потрібні наносекунди. Щоразу, коли вони галочують або змінюють енергетичний рівень, електрони випромінюють мікрохвильову енергію, яку можна виявити. Фізики NIST побудували два з цих ітербієвих годин, і порівнявши їх, вони досягли рекордних показників.
Цей рекордний показник вимірюється трьома способами:
- Систематична невизначеність: саме так годинник представляє природні коливання атомів іттербію. Годинник іттербію був вимкнений лише на одну мільярдну частину мільярдну.
- Стабільність: це скільки змінюється частота годинника за визначений час. У цьому випадку вони вимірювали свій ітербійний годинник, і він змінювався лише на 0,00000000000000000032) протягом доби.
- Відтворюваність: це вимірює, наскільки тісно два ітербієві годинники галочкують з однаковою частотою. За 10 порівнянь між парою годин, різниця знову становила менше однієї мільярдної мільярди.
"Систематичну невизначеність, стабільність та відтворюваність можна вважати" королівським потоком "продуктивності цих годин", - заявив керівник проекту Ендрю Людлоу у прес-релізі. "Згода двох годин на цьому безпрецедентному рівні, який ми називаємо відтворюваністю, - це, мабуть, найважливіший результат, оскільки він по суті вимагає та обґрунтовує інші два результати".
Ейнштейн показав нам, що час проходить по-різному, залежно від тяжкості, якої ви також є предметом. Тикання атомів в атомному годиннику сповільнюється, коли спостерігається при сильній силі тяжіння. На вершині гори. Наприклад, на Евересті час рухається швидше, ніж на дні Маріанського жолоба. Це тому, що тут, на Землі, сила тяжіння зосереджена в центрі планети. Чим далі ви знаходитесь далеко від центру, тим менша сила тяжіння. Ефект не великий, можливо, лише мільйони секунди. Але це там Це виглядає якось протиінтуїтивно, але це показав Ейнштейн, і він виявився правильним.
Винятковим у цьому новому атомному годиннику є те, що він демонструє відтворюваність, тобто помилка годинника нижче нашої здатності виявляти гравітаційний ефект у часі тут, на Землі.
Фізик НІСТ Ендрю Людлоу пояснює це так: "... продемонстрована відтворюваність показує, що загальна помилка годин падає нижче нашої загальної здатності враховувати вплив сили тяжіння на час тут, на Землі. Отже, коли ми передбачаємо, що подібні годинники використовуються в країні або світі, їх відносна продуктивність буде вперше обмежена гравітаційними ефектами Землі ».
Фізики кажуть, що тепер, коли ми маємо годинник, точність якого більша, ніж гравітаційний вплив на час, ми можемо використовувати годинник для вимірювання гравітаційної форми Землі. Звичайний спосіб вимірювання гравітаційної форми Землі - це вимірювання припливів. Застосовуються припливні датчики, розміщені по всьому світу, але їх точність становить лише кілька сантиметрів. Нові годинники могли звести таку точність до меншого одного сантиметра.
Насправді ці годинники іттербію можна використовувати для вимірювання набагато більше, ніж гравітаційна форма Землі. Їх можна використовувати для вимірювання простору-часу та для виявлення гравітаційних хвиль з раннього Всесвіту. Можливо, вони могли навіть виміряти темну речовину. При такому рівні точності та точності цей інструмент набагато більше, ніж просто годинник.
На годинник, як на іттербієвий годинник, може вплинути не тільки сила тяжіння. Інші впливи на навколишнє середовище можуть порушити точність пристрою. Вони повинні бути охолодженими, і вони повинні бути ізольовані від будь-яких бродячих електричних полів. Нові годинники захищені від електричних та теплових ефектів, щоб їх можна було врахувати та виправити.
Завдяки вдосконаленням, таких як електричне та теплове екранування, фізики будують переносні годинники іттербію, які можна транспортувати до різних лабораторій для вимірювання та порівняння інших годин. Їх можна було також перенести в інші місця для вивчення релятивістської техніки геодезії. Це було б зміною гри, тому що в даний час нашими найкращими атомними годинниками є кімнатні розміри, так звані "фонтанні годинники", які використовують атом цезію для визначення другого.
Але це все могло б змінити з новими годинниками.
Попередні атомні годинники базуються на елементі цезію, який дотепер забезпечував найточніший доступний час. Вібрація атома цезію використовується з 1960-х років для визначення тривалості однієї секунди в Міжнародній системі одиниць (ISU). Але з розвитком іттербієвого годинника час цезію може закінчитися.
Перший цезієвий годинник був побудований у 1955 році і з тих пір це золотий стандарт. Офіційне визначення другого, якщо вам цікаво, використовується з 1967 року. У ньому сказано: "Другий - це тривалість 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома гіпертонічними рівнями землі. стан атома цезію 133 ». Потім у 1997 році вони уточнили це, щоб цезій був 0 келвінів.
Інші атомні годинники були побудовані за допомогою рубідію, який можна зробити переносним. Вони не настільки точні, як цезій, але вони досить хороші для таких додатків, як GPS, базові станції мобільних телефонів і для контролю частоти телевізійних станцій. Але з розвитком нового атомного годинника, що використовує атом іттербію, ми можемо мати найкращі з обох світів: безпрецедентну наукову точність та портативність.
Новий атомний годинник іттербію є провідним кандидатом для переосмислення визначення того, наскільки триває одна секунда. Це тому, що він відповідає порогу точності, визначеному Міжнародною системою одиниць. Цей орган заявив, що будь-яке нове визначення потребує 100-кратного поліпшення перевіреної точності щодо годин цезію, який використовується для визначення другого.
Ми визначали час обертання Землі, але відтоді ми пройшли довгий шлях. Атомний годинник, що використовує тик-коефіцієнт рідкісноземельного елемента для вимірювання гравітаційної форми Землі, гравітаційних хвиль з раннього Всесвіту, а може бути, навіть темної матерії - це те, про що ніколи не могли уявити історичну людину, коли вони засунули палицю землю, щоб зробити сонцезабір.
- Прес-реліз: Атомні годинники NIST тепер мають достатньо часу для вдосконалення моделей Землі
- Дослідницька робота: Продуктивність атомних годинників понад геодезичну межу
- Новини MIT: Атомний хронометр, на ходу
- Вікіпедія: Атомний годинник
- Вікіпедія: стандарт Цезію
- Вікіпедія: Атомний перехід електронів
