Физики разработали атомные часы, настолько точные, что они будут отключены менее чем за одну секунду за 14 миллиардов лет. Такая точность и аккуратность делает его не просто часами. Это мощный научный инструмент, который может измерять гравитационные волны, измерять гравитационную форму Земли и, возможно, даже обнаруживать темную материю.
Как они это делают?
Физики из Национального института стандартов и технологий говорят, что их новые атомные часы основаны на редкоземельном элементе иттербия. Они используют сетку лазерных лучей, называемую оптической решеткой, для захвата 1000 атомов иттербия. Атомы естественным образом «тикают», переключаясь между двумя уровнями энергии. Это действие называется атомным электронным переходом, и на его прохождение требуется наносекунда. Каждый раз, когда они тикают или изменяют уровни энергии, электроны излучают микроволновую энергию, которая может быть обнаружена. Физики NIST построили два из этих иттербиевых часов, и, сравнивая их, они достигли рекордных показателей.
Эта рекордная производительность измеряется тремя способами:
- Систематическая неопределенность: это то, насколько хорошо часы представляют естественные колебания атомов иттербия. Часы иттербия были выключены только на одну миллиардную часть от одной миллиардной.
- Стабильность: это то, насколько частота часов меняется в течение определенного времени. В этом случае они измерили свои иттербиевые часы, и они изменились всего на 0,00000000000000000032) за день.
- Воспроизводимость: измеряет, насколько близко два иттербиевых такта тикают с одинаковой частотой. В 10 сравнениях между парой часов разница снова составила менее одной миллиардной части.
«Системная неопределенность, стабильность и воспроизводимость могут считаться« королевским притоком »производительности этих часов», - заявил руководитель проекта Эндрю Ладлоу в пресс-релизе. «Согласие двух часов на этом беспрецедентном уровне, который мы называем воспроизводимостью, является, пожалуй, самым важным результатом, потому что оно по существу требует и обосновывает два других результата».
Эйнштейн показал нам, что время течет по-разному, в зависимости от силы тяжести, которой вы подвергаетесь Тиканье атомов в атомных часах замедляется при наблюдении в условиях сильной гравитации. На вершине горы. Эверест, например, время движется быстрее, чем на дне Марианской впадины. Это потому, что здесь, на Земле, сила тяжести сосредоточена в центре планеты. Чем дальше вы находитесь от центра, тем меньше гравитации. Эффект не велик, возможно, только миллионные доли секунды. Но это там. Это кажется нелогичным, но именно это показал Эйнштейн, и он оказался прав.
Исключительная особенность этих новых атомных часов заключается в том, что продемонстрированная воспроизводимость означает, что ошибка часов ниже нашей способности обнаруживать гравитационный эффект во времени здесь, на Земле.
Физик NIST Эндрю Ладлоу объясняет это следующим образом: «… продемонстрированная воспроизводимость показывает, что общая погрешность часов падает ниже нашей общей способности учитывать влияние гравитации на время здесь, на Земле. Следовательно, поскольку мы предполагаем, что такие часы используются по всей стране или миру, их относительные характеристики впервые будут ограничены гравитационными эффектами Земли ».
Физики говорят, что теперь, когда у нас есть часы, точность которых превышает гравитационное влияние на время, мы можем использовать часы для измерения гравитационной формы Земли. Обычным способом измерения гравитационной формы Земли является измерение ее приливов. Используются приливные датчики по всему миру, но их точность составляет всего несколько сантиметров. Новые часы могут снизить эту точность до одного сантиметра.
Фактически, эти иттербиевые часы могут использоваться для измерения гораздо большего, чем гравитационная форма Земли. Их можно использовать для измерения самого пространства-времени и для обнаружения гравитационных волн в ранней Вселенной. Возможно, что они могли даже измерить темную материю. На этом уровне точности и точности, этот инструмент намного больше, чем просто часы.
Это не только гравитация, которая может влиять на часы, как иттербиевые часы. Другие воздействия окружающей среды могут нарушить точность устройства. Они должны быть охлаждены и изолированы от любых случайных электрических полей. Новые часы защищены от электрических и тепловых воздействий, поэтому их можно учитывать и корректировать.
Благодаря таким усовершенствованиям, как электрическое и тепловое экранирование, физики строят портативные иттербиевые часы, которые можно транспортировать в разные лаборатории для измерения и сравнения других часов. Их также можно переместить в другие места для изучения методов релятивистской геодезии. Это могло бы изменить игру, потому что в настоящее время наши лучшие атомные часы имеют размер комнаты, так называемые «часы с фонтаном», которые используют атом цезия для определения второго.
Но все может измениться с новыми часами.
Предыдущие атомные часы основаны на элементе цезий, который до сих пор обеспечивал наиболее точное время. Вибрация атома цезия использовалась с 1960-х годов для определения длительности одной секунды в Международной системе единиц (ISU). Но с развитием иттербиевых часов время цезия может увеличиться.
Первые цезиевые часы были построены в 1955 году, и с тех пор они стали золотым стандартом. Официальное определение второго, если вам интересно, используется с 1967 года. Оно гласит: «Второе - это длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями земли состояние атома цезия 133 ». Затем в 1997 году они уточнили, что это означает, что цезий должен быть в 0 Кельвин.
Другие атомные часы были построены с использованием рубидия, который можно сделать переносным. Они не такие точные, как цезий, но они достаточно хороши для таких приложений, как GPS, базовые станции мобильных телефонов и для контроля частоты телевизионных станций. Но с разработкой новых атомных часов с использованием атома иттербия у нас может быть лучшее из обоих миров: беспрецедентная научная точность и портативность.
Новые атомные часы иттербия являются ведущим кандидатом для переопределения определения того, какова длительность одной секунды. Это потому, что он соответствует порогу точности, установленному Международной системой единиц. Этот орган заявил, что любое новое определение потребует 100-кратного улучшения достоверности по сравнению с цезиевыми часами, которые в настоящее время используются для определения второго.
Мы привыкли определять время по вращению Земли, но с тех пор мы прошли большой путь. Атомные часы, использующие частоту тиков редкоземельного элемента для измерения гравитационной формы Земли, гравитационных волн из ранней Вселенной и, возможно, даже темной материи, - это то, что ни один исторический человек не мог себе представить, когда они вставляли палку в земля, чтобы сделать солнечные часы.
- Пресс-релиз: NIST Атомные часы теперь достаточно времени, чтобы улучшить модели Земли
- Научно-исследовательская работа: производительность атомных часов за пределами геодезического предела
- MIT News: атомная хронометраж, на ходу
- Википедия: Атомные часы
- Википедия: стандарт цезия
- Википедия: Атомно-электронный переход
