Zegar atomowy występuje w wielu odmianach. Niektóre z nich to elektronika wielkości mikroukładu, opracowana dla wojska, ale dostępna obecnie na rynku, natomiast większe i dokładniejsze zegary atomowe śledzą czas na satelitach GPS. Ale wszystkie zegary atomowe działają na tej samej zasadzie. Czyste atomy - niektóre zegary używają cezu, inne wykorzystują pierwiastki takie jak rubid - mają pewną liczbę elektronów walencyjnych lub elektronów w zewnętrznej powłoce każdego atomu. Gdy atomy uderzają z określoną częstotliwością promieniowania elektromagnetycznego (na przykład fale światła lub mikrofal), elektrony walencyjne przechodzą między dwoma stanami energii.
W latach 60. naukowcy odwrócili się od mierzenia czasu na podstawie orbit i rotacji ciał niebieskich i zaczęli używać tych zegarów w oparciu o zasady mechaniki kwantowej. Może to wydawać się dziwnym sposobem mierzenia czasu, ale czas trwania określonej liczby oscylacji lub „tyknięć” w fali promieniowania elektromagnetycznego jest oficjalną metodą, według której naukowcy określają drugą. W szczególności drugim jest czas trwania 9 192 631 770 oscylacji lasera mikrofalowego, który spowoduje przejście atomów cezu.
Ale mamy jeszcze lepsze zegary atomowe niż te, które mierzą cez.
„Gdyby nasze dwa zegary iterbu zostały uruchomione na początku wszechświata, w tym momencie nie zgadzałyby się ze sobą o niecałą sekundę”, mówi William McGrew, fizyk z National Institute of Standards and Technology (NIST ) w wiadomości e-mail.
Niezwykle stabilny zegar atomowy sieci atomowej iterbu. Atomy iterbu są wytwarzane w piecu (duży metalowy cylinder po lewej stronie) i wysyłane do komory próżniowej na środku zdjęcia w celu manipulacji i sondowania za pomocą laserów. Światło lasera jest transportowane do zegara przez pięć włókien (takich jak żółte włókno w dolnej środkowej części zdjęcia). (James Burrus / NIST) Zegary iterbu w NIST, Yb-1 i Yb-2, są unikalnym rodzajem zegara atomowego znanym jako optyczny zegar sieciowy. Zasadniczo zegary wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne w częstotliwości optycznej lub lasery, aby uwięzić tysiące atomów iterbu, a następnie spowodować przejście ich zewnętrznych elektronów między stanem energii gruntowej a stanem wzbudzonym. W porównaniu do cezu wymagana jest wyższa częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego, aby spowodować przejście iterbu.
Wszystkie fale elektromagnetyczne, od fal radiowych po promienie gamma, i całe światło widzialne pomiędzy nimi, jest tym samym rodzajem fal składających się z fotonów - różnica polega po prostu na tym, że fale o wyższych częstotliwościach oscylują szybciej. Mikrofale, które są używane do przejścia cezu, są rozciągane na dłuższe fale i niższe częstotliwości niż światło widzialne. Używanie atomów, które przechodzą na wyższych częstotliwościach, jest kluczem do zbudowania lepszego zegara. Podczas gdy sekunda to obecnie około 9 miliardów oscylacji mikrofalowych, ten sam czas trwania reprezentowany byłby przez blisko 500 bilionów oscylacji fali światła widzialnego, zwiększając zdolność naukowców do precyzyjnego pomiaru czasu.
Jeśli laser pomiarowy na zegarze iterbu zostanie ustawiony na dokładnie odpowiednią częstotliwość, atomy iterbu podskoczą do stanu wzbudzonej energii. Dzieje się tak, gdy laser ma częstotliwość dokładnie 518 295 836 590 863 Hz - liczbę „tyknięć” w ciągu jednej sekundy.
„Odpowiada to długości fali 578 nanometrów, która wydaje się żółta dla oka”, mówi McGrew.
Nowe pomiary z użyciem Yb-1 i Yb-2, prowadzone przez zespół McGrew w NIST, osiągnęły nowe rekordy w trzech kluczowych obszarach precyzji pomiaru, tworząc, pod pewnymi względami, najlepsze pomiary drugiego, jaki kiedykolwiek osiągnięto. W szczególności zegary ustanawiają nowe rekordy w zakresie systematycznej niepewności, stabilności i odtwarzalności. Nowe pomiary są szczegółowo opisane w artykule opublikowanym dzisiaj w Nature .
Zegary optyczne iterbu są w tych aspektach jeszcze bardziej precyzyjne niż zegary z fontanną z cezu, które są używane do określenia definicji sekundy. Zegary iterbu są technicznie nie dokładniejsze niż zegary cezu, ponieważ dokładność jest konkretnie zbliżeniem pomiaru do oficjalnej definicji i nic nie może być bardziej dokładne niż zegary cezu, na których opiera się ta definicja. Mimo to kluczową miarą jest tutaj systematyczna niepewność - miara tego, jak blisko zegar zdaje sobie sprawę z prawdziwej, niezakłóconej, naturalnej oscylacji atomów iterbu (dokładna częstotliwość, która powoduje ich przejście).
Nowe pomiary odpowiadają częstotliwości naturalnej z błędem 1, 4 części w 10 18, czyli około jednej miliardowej miliarda. Zegary cezowe osiągnęły systematyczną niepewność około jednej części na 10 16 . Tak więc w porównaniu do zegarów cezu, nowe pomiary iterbu „byłyby 100 razy lepsze”, mówi Andrew Ludlow, fizyk NIST i współautor artykułu.
Wyzwaniem związanym z tego rodzaju pomiarami są czynniki zewnętrzne, które mogą wpływać na naturalną częstotliwość atomów iterbu - a ponieważ są to jedne z najbardziej czułych pomiarów, jakie kiedykolwiek osiągnięto, każdy fizyczny wpływ wszechświata jest czynnikiem. „Prawie wszystko, o czym moglibyśmy teraz arbitralnie myśleć, ostatecznie ma pewien wpływ na częstotliwość oscylacji atomu” - mówi Ludlow.
Efekty zewnętrzne, które zmieniają naturalną częstotliwość zegarów, obejmują promieniowanie ciała czarnego, grawitację, pola elektryczne i niewielkie zderzenia atomów. „Spędzamy dużo czasu, starając się dokładnie przejść i… dokładnie zrozumieć wszystkie efekty, które są istotne dla zepsucia tempa zegara - tej częstotliwości przejściowej - oraz wchodzenia i dokonywania pomiarów na rzeczywistych atomach aby je scharakteryzować i pomóc nam dowiedzieć się, jak naprawdę możemy naprawdę kontrolować i mierzyć te efekty. ”
Aby zmniejszyć wpływ tych naturalnych czynników fizycznych, atomy itru, które występują naturalnie w niektórych minerałach, najpierw ogrzewa się do stanu gazowego. Następnie stosuje się chłodzenie laserowe, aby obniżyć temperaturę atomów z setek stopni Kelvina do kilku tysięcznych stopnia, a następnie dalej chłodzić do temperatury około 10 mikrokelwinów, czyli 10 milionowych stopnia powyżej zera absolutnego. Atomy są następnie ładowane do komory próżniowej i środowiska osłony termicznej. Laser pomiarowy jest wysyłany przez atomy i odbijany z powrotem na siebie, tworząc „sieć”, która uwięzia atomy w wysokoenergetycznych częściach fali stojącej światła, a nie fali bieżącej, takiej jak typowy wskaźnik laserowy.
Poprawa „stabilności” i „odtwarzalności” pomiarów, dla których zegary iterbu również ustanowiły nowe rekordy, pomaga w dalszym uwzględnieniu wszelkich sił zewnętrznych wpływających na zegary. Stabilność zegarów jest zasadniczo miarą tego, o ile częstotliwość zmienia się w czasie, która została zmierzona dla Yb-1 i Yb-2 na 3, 2 części w 10 19 w ciągu dnia. Powtarzalność jest miarą tego, jak blisko dwa zegary pasują do siebie, a poprzez 10 porównań stwierdzono, że różnica częstotliwości między Yb-1 i Yb-2 jest mniejsza niż jedna miliardowa miliarda.
„Kluczowe jest posiadanie dwóch zegarów” - mówi McGrew. „Niepewność charakteryzuje się badaniem każdej zmiany, która może zmienić częstotliwość przejścia. Jednak zawsze istnieje możliwość „nieznanych niewiadomych”, przesunięć, które nie są jeszcze zrozumiane. Mając dwa systemy, można sprawdzić charakterystykę niepewności, sprawdzając, czy dwa niezależne systemy się ze sobą zgadzają. ”
Takiej precyzji w pomiarze czasu używają już naukowcy, ale praktyczne zastosowania ulepszonych pomiarów drugiego obejmują postępy w nawigacji i komunikacji. Chociaż nikt w tym czasie nie mógł o tym wiedzieć, wczesna praca z zegarami atomowymi w połowie XX wieku ostatecznie umożliwi globalny system pozycjonowania oraz każdą branżę i technologię, która się na nim opiera.
„Nie sądzę, bym mógł całkowicie przewidzieć, jakie zastosowania za 20 lub 50 lat najbardziej z tego skorzystają, ale mogę powiedzieć, że patrząc wstecz na historię, nie przewidywano niektórych z najgłębszych wpływów na zegary atomowe, ”Mówi Ludlow.
Żółte lasery jednego z iterbowych optycznych zegarów sieci kratowej NIST. (Nate Phillips / NIST) Zegary iterbu mogą być również wykorzystywane w zaawansowanych badaniach fizyki, takich jak modelowanie pola grawitacyjnego i możliwe wykrywanie ciemnej materii lub fal grawitacyjnych. Zasadniczo zegary są tak wrażliwe, że można wykryć wszelkie interferencje wynikające ze zmiany grawitacji lub innych sił fizycznych. Jeśli umieściłeś wiele zegarów iterbu na całym świecie, możesz zmierzyć drobne zmiany grawitacji (która jest silniejsza zarówno bliżej poziomu morza, jak i biegunów), umożliwiając naukowcom pomiar kształtu pola grawitacyjnego Ziemi z większą precyzją niż kiedykolwiek wcześniej przed. Podobnie można wykryć interakcję z cząsteczkami ciemnej materii lub nawet falami grawitacyjnymi wpływającymi na dwa zegary rozmieszczone daleko od siebie.
„Naukowo używamy tej niesamowitej precyzji już dziś do niektórych z tych fundamentalnych badań fizyki - szukając ciemnej materii, szukając wariacji podstawowych stałych, szukając naruszeń niektórych teorii Einsteina i innych rzeczy. … Jeśli kiedykolwiek odkryjemy jakiekolwiek naruszenia [praw fizyki] za pomocą tych niesamowitych narzędzi pomiarowych, może to być ogromny przełom w naszym rozumieniu wszechświata, a tym samym, w jaki sposób nauka i technologia będą ewoluować odtąd. ”
W ciągu najbliższych 10 lat może się zdarzyć, że instytucje nauk pomiarowych na świecie zdecydują się na przedefiniowanie drugiego na podstawie zegara optycznego zamiast zegara cezu. Taka redefinicja jest prawdopodobnie nieunikniona, ponieważ lasery optyczne działają na znacznie wyższych częstotliwościach niż mikrofale, zwiększając liczbę „tyknięć” zegara zawartych w sekundach. Pomiar zegara iterbu byłby dobrym kandydatem do nowej definicji, ale optyczne zegary sieciowe wykorzystujące rtęć i stront również dały obiecujące wyniki, a zegary optyczne jonowe, które zawieszają i przenoszą pojedynczy atom, stanowią kolejną intrygującą możliwość nowej definicji.
Te pomiary zjawisk atomowych stają się coraz bardziej precyzyjne, a tam, gdzie zajmie nas nasze zmieniające się rozumienie czasu, nie możemy tego wiedzieć.
