Fysiker har utvecklat en atomklocka så exakt att den skulle vara av med mindre än en enda sekund på 14 miljarder år. Den typen av noggrannhet och precision gör det mer än bara en timepiece. Det är ett kraftfullt vetenskapligt instrument som kan mäta gravitationsvågor, ta mått på jordens gravitationsform och kanske till och med upptäcka mörk materia.
Hur gjorde de det?
Fysiker vid National Institute of Standards and Technology säger att deras nya atomur är baserad på det sällsynta jordartsmetoden ytterbium. De använder ett rutnät med laserstrålar som kallas ett optiskt galler för att fånga 1000 ytterbiumatomer. Atomerna "kryssar" naturligtvis genom att växla mellan två energinivåer. Den åtgärden kallas atomelektronövergång, och det tar nanosekunder att inträffa. Varje gång de kryssar eller ändrar energinivåer avger elektronerna mikrovågsenergi, som kan upptäckas. NIST-fysikerna byggde två av dessa ytterbiumklockor, och genom att jämföra dem har de uppnått rekordbrytande prestanda.
Denna rekordbrytande prestanda mäts på tre sätt:
- Systematisk osäkerhet: Detta är hur väl klockan representerar de naturliga vibrationerna i ytterbiumatomerna. Den ytterbium klockan var av endast en miljardste av en miljardste.
- Stabilitet: Det här är hur mycket klockans frekvens ändras under en viss tid. I det här fallet mätte de sin ytterbiumklocka och den ändrades med endast 0,00000000000000000032) under en dag.
- Reproducerbarhet: Detta mäter hur nära två ytterbiumklockor kryssar vid samma frekvens. I tio jämförelser mellan paret av klockor var skillnaden igen mindre än en miljarddels miljard.
"Systematisk osäkerhet, stabilitet och reproducerbarhet kan betraktas som" royal flush "av prestanda för dessa klockor," sa projektledaren Andrew Ludlow i ett pressmeddelande. "Avtalet mellan de två klockorna på denna enastående nivå, som vi kallar reproducerbarhet, är kanske det enskilt viktigaste resultatet, eftersom det i huvudsak kräver och underbygger de andra två resultaten."
Einstein visade att tiden går annorlunda beroende på hur allvarlig du också är föremål. Fästningen av atomerna i en atomklocka bromsas ner när den observeras i starkare gravitation. På toppen av Mt. Everest, till exempel, tiden rör sig snabbare än i botten av Mariana Trench. Det beror på att här på jorden koncentreras tyngdkraften i planetens centrum. Ju längre du är borta från mitten, desto mindre allvar finns det. Effekten är inte stor, kanske bara milstedelar av en sekund. Men det är där. Det verkar på något sätt motintuitivt, men det var vad Einstein visade och han har visat sig vara korrekt.
Det exceptionella med denna nya atomklocka är att den har visats reproducerbarhet, vilket betyder att klockans fel ligger under vår förmåga att upptäcka gravitationseffekten på tiden här på jorden.
NIST-fysikern Andrew Ludlow förklarar det så här: ”... den visade reproducerbarheten visar att klockans totala fel faller under vår allmänna förmåga att redovisa gravitationens effekt på tiden här på jorden. Därför, när vi föreställer oss att klockor som dessa används runt om i landet eller världen, skulle deras relativa prestanda för första gången begränsas av jordens gravitationseffekter. "
Fysikerna säger att nu när vi har en klocka som är noggrannare än gravitationseffekten på tiden kan vi använda klockan för att mäta jordens gravitationsform. Det vanliga sättet att mäta jordens gravitationsform är genom att mäta tidvatten. Tidvattenmätare placerade runt om i världen används, men deras noggrannhet är bara med flera centimeter. De nya klockorna skulle kunna minska den exaktheten till mindre än en centimeter.
I själva verket kan dessa ytterbiumklockor användas för att mäta mycket mer än jordens gravitationella form. De kan användas för att mäta själva rymdtiden och för att upptäcka gravitationsvågor från det tidiga universum. Det är möjligt att de till och med kan mäta mörk materia. Vid denna nivå av noggrannhet och precision är detta instrument mycket mer än bara en klocka.
Det är inte bara tyngdkraften som kan påverka en klocka som ytterbiumklockan. Andra miljöeffekter kan störa enhetens noggrannhet. De måste hållas kylda och de måste isoleras från alla avvikande elektriska fält. De nya klockorna är skyddade från elektriska effekter och värmeeffekter så att de kan redovisas och korrigeras.
Med förbättringar som elektrisk och termisk skärmning bygger fysikerna bärbara ytterbiumklockor som kan transporteras till olika laboratorier för att mäta och jämföra andra klockor. De kan också flyttas till andra platser för att studera relativistiska geodesitekniker. Detta skulle vara en spelväxlare, för närvarande är våra bästa atomklockor rumsstora, så kallade "fontänsklockor" som använder cesiumatomen för att definiera den andra.
Men det kan allt vara på väg att förändras med de nya klockorna.
Tidigare atomklockor är baserade på elementet cesium, som hittills tillhandahöll den mest exakta tidtagningen som finns tillgänglig. Vibrationen av cesiumatomen har använts sedan 1960-talet för att definiera varaktigheten för en enda sekund i International System of Units (ISU). Men med utvecklingen av ytterbium-klockan kan caesiums tid vara ute.
Den första cesiumklockan byggdes 1955 och sedan dess har den varit guldstandarden. Den officiella definitionen av den andra, om du är intresserad, har använts sedan 1967. Den säger: ”Den andra är varaktigheten på 9 192 631 770 perioder av strålningen som motsvarar övergången mellan de två hyperfina nivåerna i marken tillståndet till cesium 133-atomen. ” Sedan 1997 klargjorde de det för att betyda att cesiumet måste vara vid 0 Kelvin.
Andra atomklockor har byggts med rubidium, som kan göras bärbar. De är inte lika exakta som cesium, men de är tillräckligt bra för applikationer som GPS, mobiltelefonbasstationer och för att kontrollera frekvensen för TV-stationer. Men med utvecklingen av den nya atomklockan med ytterbiumatomen kan vi ha det bästa från båda världar: enastående vetenskaplig noggrannhet och portabilitet.
Den nya ytterbium-atomklockan är en ledande kandidat för att omdefiniera definitionen av hur länge en sekund är. Det beror på att det uppfyller noggrannhetsgränsen som definieras av det internationella enhetssystemet. Det organet sa att varje ny definition skulle kräva en 100-faldig förbättring av validerad noggrannhet jämfört med de cesiumklockor som för närvarande används för att definiera den andra.
Vi brukade definiera tid genom jordens rotation, men vi har kommit långt sedan dess. En atomklocka som använder fästfrekvensen för ett sällsynt jordartselement för att mäta jordens gravitationsform, gravitationsvågor från det tidiga universum, och kanske till och med mörk materia är något som ingen historisk människa någonsin kunde ha avbildat när de fastade en pinne i marken för att göra en solskiva.
- Pressmeddelande: NIST Atomic Clocks Nu håller tiden väl nog för att förbättra modeller av jorden
- Forskningsdokument: Atomklockprestanda utanför den geodetiska gränsen
- MIT News: Atomisk tidtagning, när du är på språng
- Wikipedia: Atomklocka
- Wikipedia: Cesiumstandard
- Wikipedia: Atomelektronövergång
