Zmęczony upływem czasu zegarków? Nowy zegar atomowy, który jest najdokładniejszy jak dotąd, wykorzystuje atomy iterbu i lasery do precyzyjnego definiowania sekundy. Zdjęcie wykonane przez użytkownika Flickr Earls37a
Gdyby zegarek na twoim nadgarstku działał wolno o pięć minut w ciągu roku, prawdopodobnie nie pomyślałbyś o tym. Ale naukowcy i inżynierowie polegają na ultra-dokładnych zegarach atomowych w szeregu zastosowań, a poszukiwanie coraz dokładniejszych zegarów trwa od tysiącleci.
Teraz grupa naukowców pod przewodnictwem Andrew Ludlowa z National Institute of Standards and Technology postawiła poprzeczkę wyżej niż kiedykolwiek. Oczekuje się, że ich najnowszy zegar atomowy, zaprezentowany wczoraj, będzie niedokładny o 1, 6 sekundy po uruchomieniu przez ogółem 10 18 sekund - lub, innymi słowy, traci jedną pełną sekundę w ciągu około 50, 8 miliarda lat .
W artykule opisującym ich zegar naukowcy przedstawili parę analogii dla tego poziomu dokładności: „jest równoważne z określeniem wieku znanego wszechświata z dokładnością mniejszą niż sekunda”, napisali, „lub średnicą Ziemi do mniejszej niż szerokość atomu. ”
Podobnie jak wszystkie zegary, zegary atomowe utrzymują stały czas, opierając czas jednej sekundy na zdarzeniu fizycznym, które zdarza się regularnie. Podczas gdy zegary mechaniczne używają wahań wahadła do utrzymywania czasu, zegary atomowe wykorzystują mechanizm, który występuje z jeszcze większą regularnością: specyficzna częstotliwość światła potrzebna do spowodowania fluktuacji atomu między dwoma stanami energii (konkretnie, aby przejść ze stanu podstawowego w stan podekscytowany), która zawsze jest wartością jednolitą. Na przykład obecny międzynarodowy standard określający czas trwania sekundy wynosi 9 192 631 770 cykli ilości promieniowania mikrofalowego, które powoduje, że atomy cezu wahają się między dwoma stanami energii i emitują jak najwięcej światła.
Kilka czynników może jednak zniekształcić nawet najdokładniejsze pomiary tej częstotliwości. Naukowcy stojący za tym nowym zegarem stworzyli innowacyjny projekt (wykorzystujący inny element), który minimalizuje te zniekształcenia bardziej niż jakikolwiek inny zegar wcześniej.
Ich konstrukcja, zwana „optycznym zegarem kratowym”, wychwytuje atomy iterbu w polu siatki wiązek laserowych. Utrzymane na miejscu atomy są bombardowane przez drugi rodzaj lasera, który zmusza ich elektrony do skoku w górę na poziomie energii. Czujnik sprawdza, czy wszystkie atomy osiągają wyższy poziom energii, a dokładna częstotliwość światła potrzebna do ich zmuszenia jest następnie przeliczana na dokładną długość sekundy.
Zwykle każdy niewielki fizyczny ruch atomów podczas bombardowania może prowadzić do subtelnych zmian w częstotliwości światła potrzebnej do podniesienia ich poziomu energii (w wyniku przesunięcia Dopplera), co obniża dokładność zegara. Ale, jak opisano w MIT Technology Review, w którym po raz pierwszy opublikowano informację o zegarze, pudełko wiązek laserowych „utrzymuje atomy w imadle podobnym do uchwytu, który minimalizuje wszelkie efekty Dopplera”. Dodatkowo, siatka przechwytuje stosunkowo dużą liczbę atomów (od 1 000 do 1 000 000) w porównaniu do większości zegarów atomowych, więc uśrednienie ilości promieniowania potrzebnego do podniesienia każdego z nich do wyższego poziomu energii zapewnia dokładniejszą wartość dokładnej częstotliwości promieniowania, która jest następnie wykorzystywana do ustalania czasu.
Porównując dwa takie zegary razem, autorzy znaleźli coś niezwykłego - każdy „tyk” mierzy odstępy czasu tak doskonale, że jeden zegar opóźnia się o rzeczywisty czas tylko o jedną dziesiątą sekundy, gdy nasze Słońce otacza Ziemię, gdy ewoluuje w czerwone gigant za około 5 miliardów lat.
Ten nowy zegar - i stopniowe udoskonalanie zegarów atomowych jako całości - może wydawać się zajęciem czysto akademickim, ale w rzeczywistości istnieje mnóstwo bardzo przydatnych zastosowań tej technologii. Weźmy na przykład aplikację „mapy” w telefonie. Bez możliwości ścisłej synchronizacji zegarów na dużych odległościach system GPS nie byłby w stanie działać, ponieważ opiera się na dokładnym porównaniu czasu potrzebnego na przesłanie sygnałów z kilku różnych satelitów do urządzenia obsługującego GPS.
Przyszłe poszukiwania, które mogłyby wykorzystać ten najnowszy postęp w technologii zegara atomowego, mogłyby wchodzić w zakres nauk o geodezji, która dąży do precyzyjnego pomiaru niewielkich zmian kształtu Ziemi i jej pola grawitacyjnego w czasie. Wszystkie zegary tyka z nieskończenie wolniejszymi prędkościami na poziomie morza niż na wysokości mili, ponieważ siła grawitacji jest silniejsza, gdy znajdują się bliżej Ziemi. Obecnie, w przypadku najbardziej wyrafinowanych zegarów atomowych, tę różnicę prędkości można zmierzyć tylko wtedy, gdy wysokość zmienia się o tysiące stóp, ale dzięki nowemu zegarowi można je wykryć, gdy zegar zostanie podniesiony lub obniżony o zaledwie centymetr, co czyni system potencjalnie przydatne do pomiaru niewielkich zmian grubości lub wysokości lodowca uzyskanych przez pasma górskie w czasie, gdy zderzają się płyty tektoniczne.
