Fysikere har utviklet en atomur så nøyaktig at den ville være av mindre enn et eneste sekund på 14 milliarder år. Den slags nøyaktighet og presisjon gjør det til mer enn bare en timepiece. Det er et kraftig vitenskapelig instrument som kan måle gravitasjonsbølger, ta mål av jordas gravitasjonsform og kanskje til og med oppdage mørk materie.
Hvordan gjorde de det?
Fysikere ved National Institute of Standards and Technology sier at deres nye atomur er basert på det sjeldne jordelementet ytterbium. De bruker et rutenett med laserstråler som kalles et optisk gitter for å felle 1000 ytterbiumatomer. Atomene "krysser" naturlig ved å bytte mellom to energinivåer. Denne handlingen kalles atom elektronovergang, og det tar nanosekunder å skje. Hver gang de krysser av, eller endrer energinivåer, avgir elektronene mikrobølgeenergi, som kan oppdages. NIST-fysikerne bygde to av disse ytterbium-klokkene, og ved å sammenligne dem har de oppnådd rekordstore ytelser.
Denne rekordstore ytelsen måles på tre måter:
- Systematisk usikkerhet: Dette er hvor godt klokken representerer de naturlige vibrasjonene til ytterbiumatomer. Den ytterbium klokken var slått av bare en milliarddel av en milliarddel.
- Stabilitet: Dette er hvor mye klokkens frekvens endres på et spesifikt tidspunkt. I dette tilfellet målte de ytterbium-klokken sin, og den endret seg med bare 0,0000000000000000000032) i løpet av et døgn.
- Reproduserbarhet: Dette måler hvor tett to ytterbium-klokker tikker på samme frekvens. I 10 sammenligninger mellom paret av klokker var forskjellen igjen mindre enn en milliarddel av en milliarddel.
"Systematisk usikkerhet, stabilitet og reproduserbarhet kan betraktes som" royal flush "for ytelsen for disse klokkene," sa prosjektleder Andrew Ludlow i en pressemelding. "Avtalen mellom de to klokkene på dette enestående nivået, som vi kaller reproduserbarhet, er kanskje det viktigste resultatet, fordi det egentlig krever og underbygger de to andre resultatene."
Einstein viste oss at tiden går annerledes, avhengig av tyngdekraften du også er utsatt. Tickingen av atomene i en atomur blir bremset når den observeres i sterkere tyngdekraft. På toppen av Mt. Everest for eksempel, tiden beveger seg raskere enn på bunnen av Mariana-grøften. Det er fordi, her på jorden, er tyngdekraften konsentrert i sentrum av planeten. Jo lenger du er borte fra sentrum, jo mindre tyngdekraft er det. Effekten er ikke stor, kanskje bare milliondeler av et sekund. Men den er der. Det virker motintuitivt på en eller annen måte, men det er det Einstein viste, og han har blitt bevist riktig.
Det eksepsjonelle med denne nye atomklokken er at den er demonstrert reproduserbarhet, betyr at urets feil er under vår evne til å oppdage gravitasjonseffekten på tid her på jorden.
NIST-fysiker Andrew Ludlow forklarer det slik: “... den demonstrerte reproduserbarheten viser at klokkenes totale feil faller under vår generelle evne til å redegjøre for gravitasjonseffekten på tiden her på jorden. Når vi ser for oss at klokker som disse brukes rundt om i landet eller verden, vil deres relative ytelse for første gang være begrenset av jordens gravitasjonseffekter. "
Fysikerne sier at nå som vi har en klokke som nøyaktigheten er større enn gravitasjonseffekten på tid, kan vi bruke klokken til å måle jordens gravitasjonsform. Den vanlige måten å måle jordas gravitasjonsform er ved å måle tidevannet. Tidevannsmålere plassert over hele verden brukes, men nøyaktigheten er bare med flere centimeter. De nye klokkene kunne bringe den nøyaktigheten ned til mindre enn en centimeter.
Faktisk kan disse ytterbium-klokkene brukes til å måle mye mer enn jordas gravitasjonsform. De kan brukes til å måle romtiden selv, og for å oppdage gravitasjonsbølger fra det tidlige universet. Det er mulig at de til og med kan måle mørk materie. På dette nivået av nøyaktighet og presisjon er dette instrumentet mye mer enn bare en klokke.
Det er ikke bare tyngdekraften som kan påvirke en klokke som ytterbium-klokken. Andre miljøeffekter kan forstyrre enhetens nøyaktighet. De må holdes avkjølte, og de må isoleres fra alle omstendelige elektriske felt. De nye klokkene er skjermet for elektriske og varmeeffekter, slik at de kan redegjøres for og korrigeres for.
Med forbedringer som elektrisk og termisk skjerming bygger fysikerne bærbare ytterbium-klokker som kan transporteres til forskjellige laboratorier for å måle og sammenligne andre klokker. De kan også flyttes til andre steder for å studere relativistiske geodeteknikker. Dette ville være en spillveksler, for i dag er våre beste atomklokker romstore, såkalte "fontene-klokker" som bruker cesiumatom til å definere det andre.
Men det kan alt være i ferd med å endre seg med de nye klokkene.
Tidligere atomur er basert på elementet cesium, som hittil ga den mest nøyaktige tidtaking som var tilgjengelig. Vibrasjonen av cesiumatomet har blitt brukt siden 1960-tallet for å definere varigheten av et enkelt sekund i International System of Units (ISU). Men med utviklingen av ytterbium-klokken, kan tiden til caesium være på vei.
Den første cesiumklokken ble bygget i 1955, og siden den gang har det vært gullstandarden. Den offisielle definisjonen av den andre, hvis du er interessert, har vært i bruk siden 1967. Den sier: “Den andre er varigheten på 9 192 631 770 perioder med strålingen som tilsvarer overgangen mellom de to hyperfine nivåene i bakken tilstand av cesium 133-atomet. ” I 1997 klargjorde de det for å bety at cesium måtte være 0 Kelvin.
Andre atomklokker er bygget med rubidium, som kan gjøres bærbar. De er ikke så nøyaktige som cesium, men de er gode nok for applikasjoner som GPS, mobiltelefonbasestasjoner og for å kontrollere frekvensen av TV-stasjoner. Men med utviklingen av den nye atomklokken ved bruk av ytterbiumatom, har vi kanskje det beste fra begge verdener: enestående vitenskapelig nøyaktighet og portabilitet.
Den nye ytterbium-atomklokken er en ledende kandidat til å definere definisjonen av hvordan det ene sekundet er. Det er fordi den oppfyller nøyaktighetsgrensen definert av det internasjonale systemet for enheter. Det organet sa at enhver ny definisjon ville kreve en 100-falds forbedring i validert nøyaktighet i forhold til cesiumklokkene som for øyeblikket ble brukt til å definere den andre.
Vi pleide å definere tid etter jordens rotasjon, men vi har kommet langt siden den gang. En atomur som bruker flåtthastigheten til et sjeldent jordelement for å måle jordens gravitasjonsform, gravitasjonsbølger fra det tidlige universet, og kanskje til og med mørk materie er noe ingen historisk menneske noen gang kunne ha avbildet når de stakk en pinne i bakken for å lage en solskive.
- Pressemelding: NIST Atomic Clocks Hold nå tid nok til å forbedre jordens modeller
- Forskningsartikkel: Atomklokkeytelse utover den geodetiske grensen
- MIT News: Atomisk tidtaking, mens du er på farten
- Wikipedia: Atomklokke
- Wikipedia: Cesium-standard
- Wikipedia: Atomelektronovergang
