Fysikere har udviklet et atomur så præcist, at det ville være slukket med mindre end et enkelt sekund på 14 milliarder år. Den slags nøjagtighed og præcision gør det til mere end bare en ur. Det er et magtfuldt videnskabeligt instrument, der kan måle tyngdekraftsbølger, tage målene for jordens tyngdekraftform og måske endda opdage mørkt stof.
Hvordan gjorde de det?
Fysikere ved National Institute of Standards and Technology siger, at deres nye atomur er baseret på det sjældne jordartselement ytterbium. De bruger et gitter af laserstråler kaldet et optisk gitter til at fange 1000 ytterbiumatomer. Atomerne "markerer" naturligvis ved at skifte mellem to energiniveauer. Denne handling kaldes atomelektronisk overgang, og det tager nanosekunder at forekomme. Hver gang de tikker eller ændrer energiniveau, udsender elektronerne mikrobølgeenergi, som kan detekteres. NIST-fysikerne byggede to af disse ytterbium-ure, og ved at sammenligne dem har de opnået rekordstore præstationer.
Denne rekordfrie ydeevne måles på tre måder:
- Systematisk usikkerhed: Dette er hvor godt uret repræsenterer de naturlige vibrationer af ytterbiumatomer. Ytterbiumuret var slukket med kun en milliarddel af en milliardindel.
- Stabilitet: Sådan ændres urets hyppighed i et bestemt tidsrum. I dette tilfælde målte de deres ytterbiumur, og det ændrede sig kun med 0,0000000000000000000032) i løbet af en dag.
- Reproducerbarhed: Dette måler, hvor tæt to ytterbium-ure tikker ved samme frekvens. I 10 sammenligninger mellem paret af ur var forskellen igen mindre end en milliarddel af en milliardedel.
"Systematisk usikkerhed, stabilitet og reproducerbarhed kan betragtes som den" kongelige flush "af ydeevnen for disse ure,” sagde projektleder Andrew Ludlow i en pressemeddelelse. "Aftalen mellem de to ure på dette hidtil uset niveau, som vi kalder reproducerbarhed, er måske det mest vigtige resultat, fordi det i det væsentlige kræver og underbygger de to andre resultater."
Einstein viste os, at tiden går forskelligt afhængigt af tyngdekraften, du også er genstand for. Afkrydsningen af atomerne i et atomur er langsommere, når det observeres i stærkere tyngdekraft. På toppen af Mt. F.eks. Bevæger tiden Everest sig hurtigere end i bunden af Mariana-grøften. Det skyldes, at her på Jorden koncentreres tyngdekraften midt på planeten. Jo længere du er væk fra centrum, jo mindre tyngdekraft er der. Effekten er ikke stor, måske kun milliondele af et sekund. Men den er der. Det virker på en eller anden måde modsat intuitivt, men det var, hvad Einstein viste, og han har vist sig at være korrekt.
Det ekstraordinære ved dette nye atomur er, at det er demonstreret reproducerbarhed, betyder, at urets fejl er under vores evne til at registrere gravitationseffekten på tiden her på Jorden.
NIST-fysiker Andrew Ludlow forklarer det sådan: ”… den demonstrerede reproducerbarhed viser, at urernes samlede fejl falder under vores generelle evne til at redegøre for tyngdekraftens effekt på tiden her på Jorden. Når vi forestiller os ure som disse, der bruges rundt om i landet eller verdenen, vil deres relative ydeevne for første gang være begrænset af Jordens tyngdekraftseffekter. ”
Fysikerne siger, at nu, når vi har et ur, der er nøjagtighed er større end gravitationseffekten på tid, kan vi bruge uret til at måle Jordens gravitationsform. Den sædvanlige måde at måle jordens gravitationsform på er ved at måle dens tidevand. Tidevandsmålere placeret rundt om i verden bruges, men deres nøjagtighed er kun med flere centimeter. De nye ure kunne bringe denne nøjagtighed ned til mindre end en centimeter.
Faktisk kan disse ytterbium-ure bruges til at måle meget mere end Jordens gravitationsform. De kan bruges til at måle rumtiden selv og til at registrere gravitationsbølger fra det tidlige univers. Det er muligt, at de endda kan måle mørkt stof. På dette niveau af nøjagtighed og præcision er dette instrument meget mere end bare et ur.
Det er ikke kun tyngdekraften, der kan påvirke et ur som ytterbiumuret. Andre miljøeffekter kan forstyrre enhedens nøjagtighed. De skal holdes afkølet, og de skal isoleres fra alle omstrejfende elektriske felter. De nye ure er afskærmet mod elektriske og varmeeffekter, så de kan redegøres for og korrigeres for.
Med forbedringer som elektrisk og termisk afskærmning bygger fysikerne bærbare ytterbiumure, der kan transporteres til forskellige laboratorier for at måle og sammenligne andre ure. De kunne også flyttes til andre steder for at studere relativistiske geodesiteknikker. Dette ville være en spiludveksler, for i øjeblikket er vores bedste atomur i rumstørrelse, såkaldte “springvandur”, der bruger cæsiumatom til at definere det andet.
Men det kunne alt sammen være ved at ændre sig med de nye ure.
Tidligere atomur er baseret på elementet cæsium, som hidtil har givet den mest nøjagtige tidsstyring, der var tilgængelig. Vibrationen af cæsiumatomet er blevet brugt siden 1960'erne til at definere varigheden af et enkelt sekund i det internationale system af enheder (ISU). Men med udviklingen af ytterbiumuret kan caesiums tid være inde.
Det første cæsiumur blev bygget i 1955, og siden da har det været guldstandarden. Den officielle definition af den anden, hvis du er interesseret, har været i brug siden 1967. Den siger: ”Den anden er varigheden på 9 192 631 770 perioder med strålingen svarende til overgangen mellem de to hyperfine niveauer i jorden tilstand af cæsium 133-atomet. ” I 1997 afklarede de det for at betyde, at cesiumet måtte være 0 Kelvin.
Andre atomur er blevet bygget ved hjælp af rubidium, som kan gøres bærbar. De er ikke så nøjagtige som cæsium, men de er gode nok til applikationer som GPS, mobiltelefonbasestationer og til at kontrollere frekvensen af tv-stationer. Men med udviklingen af det nye atomur ved hjælp af ytterbiumatom, har vi måske det bedste fra begge verdener: hidtil uset videnskabelig nøjagtighed og bærbarhed.
Det nye ytterbium-atomur er en førende kandidat til at omdefinere definitionen af, hvordan det ene sekund er. Det skyldes, at det overholder nøjagtighedsgrænsen defineret af det internationale system af enheder. Dette organ sagde, at enhver ny definition ville kræve en 100-fold forbedring i valideret nøjagtighed i forhold til de cæsiumur, der i øjeblikket bruges til at definere den anden.
Vi definerede tid ved jordens rotation, men vi er nået langt siden da. Et atomur, der bruger krydsfrekvensen af et sjældent jordelement til at måle jordens gravitationsform, gravitationsbølger fra det tidlige univers, og måske endda mørkt stof er noget, som intet historisk menneske nogensinde kunne have afbildet, når de stak en pind i jorden for at lave en solskive.
- Pressemeddelelse: NIST-atomure holder nu godt nok tid til at forbedre jordens modeller
- Forskning Paper: Atomisk ydelse ud over den geodetiske grænse
- MIT-nyheder: Atomisk timekeeping, mens du er på farten
- Wikipedia: Atomur
- Wikipedia: Cesium-standard
- Wikipedia: Atomisk elektronisk overgang
