Er du lei av at armbåndsurene dine mister tid når årene går? En ny atomklokke, som er den mest nøyaktige noensinne, bruker ytterbiumatomer og lasere for å definere et sekund nøyaktig. Bilde via Flickr-bruker Earls37a
Hvis klokken på håndleddet kjørte sakte med fem minutter i løpet av et år, ville du sannsynligvis ikke tenkt noe på det. Men forskere og ingeniører er avhengige av ultra-nøyaktige atomklokker for en rekke bruksområder, og jakten på stadig mer nøyaktige klokker har pågått i årtusener.
Nå har en gruppe forskere ledet av Andrew Ludlow fra National Institute of Standards and Technology satt baren høyere enn noen gang. Deres nyeste atomur, som ble avduket i går, er spådd å bli unøyaktig med en mengde på 1, 6 sekunder etter å ha løpt i totalt 10 18 sekunder - eller med andre ord, den mister ett helt sekund i løpet av omtrent 50, 8 milliarder år .
I artikkelen som beskrev klokken sin, ga forskerne et par analogier for dette nøyaktighetsnivået: "tilsvarer det kjente universets alder til en presisjon på mindre enn ett sekund, " skrev de, "eller Jordens diameter til mindre enn bredden på et atom. ”
Som alle klokker, holder atomklokker jevn tid ved å basere varigheten av et sekund på en fysisk hendelse som skjer med regelmessighet. Mens mekaniske klokker bruker sving av en pendel for å opprettholde tid, bruker atomklokker en mekanisme som oppstår med enda mer regelmessighet: den spesifikke lysfrekvensen som er nødvendig for å få et atom til å svinge mellom to energitilstander (spesifikt for å gå fra en grunntilstand inn i en spent tilstand), som alltid er en enhetlig verdi. For eksempel er den nåværende internasjonale standarden som definerer varigheten av et sekund 9192 631 770 sykluser av mengden mikrobølgestråling som får cesiumatomer til å svinge mellom de to energistatene og i prosessen avgir mest mulig lys.
Noen få faktorer kan imidlertid forvrenge selv de mest nøye målingene av denne frekvensen. Det forskerne bak denne nye klokken har gjort er å lage et innovativt design (ved bruk av et annet element) som minimerer disse forvrengningene mer enn noen klokke før.
Designet deres, kalt en "optisk gitterklokke, " feller ytterbiumatomer i en gitterboks med laserstråler. Holdt på plass blir bombene bombardert av en andre type laser, som tvinger elektronene deres til å hoppe opp i energinivå. En sensor kontrollerer at alle atomene når det høyere energinivået, og at den nøyaktige lysfrekvensen som er nødvendig for å tvinge dem til det, blir deretter omgjort til den eksakte lengden på et sekund.
Normalt kan enhver lett fysisk bevegelse av atomene når de bombarderes føre til subtile endringer i lysfrekvensen som er nødvendig for å heve energinivået (et resultat av Doppler-skift), og kaster klokkens nøyaktighet. Men som beskrevet i MIT Technology Review, der nyhetene om klokken først ble publisert, holder boksen med laserstråler "atomene i et skikkeliknende grep som minimerer Doppler-effekter." I tillegg fanger gitteret et relativt stort antall av atomer (mellom 1 000 og 1 000 000) sammenlignet med de fleste atomklokker, så gjennomsnitt av strålingsmengden som trengs for å heve hver av disse til det høyere energinivået gir en mer nøyaktig verdi av strålingenes nøyaktige frekvens, som deretter brukes til å stille tid.
Sammenlignet to slike klokker sammen, fant forfatterne noe bemerkelsesverdig - hvert "kryss" måler tidsintervaller så perfekt at en klokke bare vil henge etter den sanne tiden med en tidel av et sekund når solen vår innhyller jorden når den utvikler seg til en rød gigantisk omlag 5 milliarder år fra nå.
Denne nye klokken - og den gradvise foredlingen av atomurene som helhet - kan virke som en rent akademisk forfølgelse, men i virkeligheten er det mange nyttige anvendelser av teknologien. Ta for eksempel kart-appen på telefonen din. Uten muligheten til å synkronisere klokker over store avstander, ville ikke GPS-systemet kunne fungere, fordi det er avhengig av den nøyaktige sammenligningen av tiden det tar signaler å reise fra flere forskjellige satellitter til din GPS-aktiverte enhet.
Fremtidige sysler som kan bruke dette nyeste fremskrittet innen atomklokke-teknologi kan falle innenfor geodesiens vitenskap, som forsøker å presis måle ørsmå endringer i jordas form og dens gravitasjonsfelt over tid. Alle klokker tikker uendelig tregere med havnivået enn en kilometer høy, fordi tyngdekraften er sterkere når nærmere jorda. For øyeblikket, med de mest sofistikerte atomurene, kan denne hastighetsforskjellen bare måles når høyden endres med tusenvis av fot, men med den nye klokken vil de være påviselige når klokken heves eller senkes med bare en centimeter, noe som gjør systemet potensielt nyttig for å måle små forandringer i isbreens tykkelse eller høyde oppnådd av fjellkjeder over tid når tektoniske plater kolliderer.
