Fyzici vyvinuli atomové hodiny tak přesné, že by za 14 miliard let byly vypnuty za méně než jednu sekundu. Tento druh přesnosti a přesnosti z něj dělá víc než jen hodinky. Je to mocný vědecký nástroj, který dokáže měřit gravitační vlny, měřit gravitační tvar Země a možná dokonce detekovat temnou hmotu.
Jak to udělali?
Fyzici z Národního institutu pro standardy a technologie tvrdí, že jejich nové atomové hodiny jsou založeny na prvku ytterbium vzácných zemin. Používají mřížku laserových paprsků nazývanou optickou mříží k zachycení 1000 atomů ytterbu. Atomy přirozeně „tikají“ přepínáním mezi dvěma energetickými úrovněmi. Tato akce se nazývá atomový elektronový přechod a trvá nanosekundy. Při každém zaškrtnutí nebo změně úrovně energie emitují elektrony mikrovlnnou energii, kterou lze detekovat. Fyzici NIST postavili dva z těchto hodin ytterbia a jejich porovnáním dosáhli rekordního výkonu.
Tento rekordní výkon se měří třemi způsoby:
- Systematická nejistota: Tímto způsobem hodiny reprezentují přirozené vibrace atomů ytterbia. Hodiny ytterbia byly vypnuty pouze o jednu miliardtu z jedné miliardiny.
- Stabilita: To je, jak moc se frekvence hodin mění v určený čas. V tomto případě změřili své ytterbiové hodiny a během dne se změnilo pouze o 0,0000000000000000000032).
- Reprodukovatelnost: Tímto způsobem se měří, jak úzce tikají dvě hodiny ytterbia na stejné frekvenci. V 10 srovnáních dvou hodin byl rozdíl opět menší než jedna miliardtina miliardty.
„Systematickou nejistotu, stabilitu a reprodukovatelnost lze pro tyto hodiny považovat za„ královský nával výkonu “, řekl vedoucí projektu Andrew Ludlow v tiskové zprávě. "Souhlas obou hodin na této bezprecedentní úrovni, kterou nazýváme reprodukovatelností, je snad jediným nejdůležitějším výsledkem, protože v podstatě vyžaduje a zdůvodňuje další dva výsledky."
Einstein nám ukázal, že čas ubíhá jinak v závislosti na gravitaci, které jste předmětem. Tikání atomů v atomových hodinách je zpomaleno, je-li pozorováno ve větší gravitaci. Na vrcholu Mt. Například, Everest, čas se pohybuje rychleji než na dně Mariana příkopu. Je to proto, že tady na Zemi je gravitační síla soustředěna ve středu planety. Čím dále jste od centra, tím menší je gravitace. Účinek není velký, možná jen miliontiny sekundy. Ale je to tam. Nějak se to zdá kontraintuitivní, ale to je to, co Einstein ukázal, a on se osvědčil.
Výjimečná věc těchto nových atomových hodin je, že je prokázána reprodukovatelnost, což znamená, že chyba hodin je pod naší schopností detekovat gravitační účinek na čas zde na Zemi.
Fyzik NIST Andrew Ludlow to vysvětluje takto: „… prokázaná reprodukovatelnost ukazuje, že celková chyba hodin klesne pod naši obecnou schopnost vysvětlit vliv gravitace na čas zde na Zemi. Proto, jak si představujeme takové hodiny, které se používají po celé zemi nebo ve světě, jejich relativní výkon by byl poprvé omezen gravitačními účinky Země. “
Fyzici říkají, že nyní, když máme hodiny, jejichž přesnost je větší než gravitační účinek na čas, můžeme pomocí hodin měřit gravitační tvar Země. Obvyklým způsobem měření gravitačního tvaru Země je měření přílivu. Používají se přílivové měřiče umístěné po celém světě, ale jejich přesnost je pouze několik centimetrů. Nové hodiny mohly tuto přesnost snížit na méně než jeden centimetr.
Ve skutečnosti lze tyto hodiny ytterbium použít k měření mnohem více než gravitačního tvaru Země. Mohou být použity k měření času a času samotného ak detekci gravitačních vln z raného vesmíru. Je možné, že dokážou dokonce měřit temnou hmotu. Při této úrovni přesnosti a přesnosti je tento nástroj mnohem víc než jen hodiny.
Hodiny jako ytterbiové hodiny mohou ovlivnit nejen gravitace. Přesnost zařízení může narušit jiné vlivy na životní prostředí. Musí být udržovány chlazené a musí být izolovány od všech zbloudilých elektrických polí. Nové hodiny jsou chráněny před elektrickými a tepelnými účinky, takže je lze započítat a opravit.
S vylepšeními, jako je elektrické a tepelné stínění, vytvářejí fyzici přenosné hodiny ytterbia, které lze přepravovat do různých laboratoří a měřit a porovnávat další hodiny. Mohli by se také přesunout na jiná místa, aby studovali relativistické geodetické techniky. To by byl měnič her, protože v současné době jsou našimi nejlepšími atomovými hodinami takzvané „fontánové hodiny“, které používají atom cesia k definování druhého.
Ale s novými hodinami se to všechno mohlo změnit.
Předchozí atomové hodiny jsou založeny na prvku cesium, který dosud poskytoval nejpřesnější dostupné časové údaje. Vibrace atomu cesia se používá od šedesátých let k definování doby trvání jedné sekundy v mezinárodním systému jednotek (ISU). Ale s vývojem ytterbiových hodin může caesium čas vypršet.
První cesiové hodiny byly postaveny v roce 1955 a od té doby to byl zlatý standard. Oficiální definice druhé, pokud vás zajímá, se používá od roku 1967. Říká: „Druhá je doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami jemného povrchu země. stav atomu cesia 133. “ V roce 1997 to objasnili, což znamenalo, že cesium muselo být na 0 Kelvinech.
Jiné atomové hodiny byly postaveny pomocí rubidia, které může být přenosné. Nejsou tak přesné jako cesium, ale jsou dostatečně dobré pro aplikace jako GPS, základní stanice mobilních telefonů a pro řízení frekvence televizních stanic. S vývojem nových atomových hodin pomocí atomu ytterbium však můžeme mít to nejlepší z obou světů: bezprecedentní vědeckou přesnost a přenositelnost.
Nové atomové hodiny ytterbia jsou vedoucím kandidátem, který znovu definuje definici toho, jak dlouho je sekunda. Je to proto, že splňuje práh přesnosti definovaný mezinárodním systémem jednotek. Toto tělo uvedlo, že jakákoli nová definice by vyžadovala 100násobné zlepšení validované přesnosti oproti cesiovým hodinám, které se v současné době používají k definování druhé.
Čas jsme určovali pomocí rotace Země, ale od té doby jsme ušli dlouhou cestu. Atomové hodiny využívající sazbu klíštěte prvku vzácných zemin k měření gravitačního tvaru Země, gravitačních vln z raného vesmíru a možná i temné hmoty je něco, co by žádný historický člověk nemohl kdy zobrazit, když uvíznou hůl země, aby se sluneční hodiny.
- Tisková zpráva: Atomové hodiny NIST nyní udržují dostatek času na vylepšení modelů Země
- Výzkumný článek: Výkon atomových hodin nad geodetický limit
- MIT News: Atomic timekeeping, on the go
- Wikipedia: Atomic clock
- Wikipedia: Cesium standard
- Wikipedia: Atomový elektronový přechod
