Fizikçiler bir Atomik saat o kadar doğru ki, 14 milyar yılda bir saniyeden daha kısa sürede bozulacaktı. Bu tür bir doğruluk ve hassasiyet, onu bir saatten daha fazlası yapar. Yerçekimi dalgalarını ölçebilen, Dünya'nın yerçekimi şeklinin ölçüsünü alabilen ve hatta karanlık maddeyi tespit edebilen güçlü bir bilimsel araçtır.
Bunu nasıl yaptılar?
Saat Performansının “Kraliyet Flush”ı
Fizikçiler Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü yeni atomik saatlerinin nadir toprak elementi iterbiyuma dayandığını söylüyorlar. 1000 ytterbium atomunu yakalamak için optik kafes adı verilen bir lazer ışını ızgarası kullanırlar. Atomlar doğal olarak iki enerji seviyesi arasında geçiş yaparak 'tık' yaparlar. Bu eylem denir atomik elektron geçişi , ve gerçekleşmesi nanosaniye sürer. Enerji seviyelerini işaretledikleri veya değiştirdikleri her seferde, elektronlar tespit edilebilen mikrodalga enerjisi yayar. NIST fizikçileri, bu iterbiyum saatlerinden iki tane inşa ettiler ve bunları karşılaştırarak rekor kıran bir performans elde ettiler.
Bu rekor kıran performans üç şekilde ölçülür:
- Sistematik belirsizlik: Saatin iterbiyum atomlarının doğal titreşimlerini ne kadar iyi temsil ettiği budur. İterbiyum saati, milyarda birin yalnızca milyarda biri kadar kapalıydı.
- Kararlılık: Bu, belirli bir zamanda saatin frekansının ne kadar değiştiğidir. Bu durumda, iterbiyum saatlerini ölçtüler ve bir gün içinde sadece 0.00000000000000000032) değişti.
- Tekrarlanabilirlik: Bu, iki iterbiyum saatinin aynı frekansta ne kadar yakın çalıştığını ölçer. Saat çifti arasındaki 10 karşılaştırmada, fark yine milyarda birin milyarda birinden daha azdı.
Proje lideri Andrew Ludlow, 'Sistematik belirsizlik, kararlılık ve tekrarlanabilirlik, bu saatler için performansın 'kraliyet sifonu' olarak kabul edilebilir' dedi. basın bülteni . 'Tekrarlanabilirlik dediğimiz bu eşi görülmemiş düzeyde iki saatin uyuşması, belki de en önemli sonuçtur, çünkü esasen diğer iki sonucu gerektirir ve doğrular.'
Atom saatleri on yıllardır kullanılmaktadır. Bu görüntü, ABD Savunma Bakanlığı için zaman standardını tanımlamak için kullanılan ABD Deniz Gözlemevi'ndeki atom saatlerinin bankalarını göstermektedir. Resim: ABD Deniz Gözlemevi tarafından – http://tycho.usno.navy.mil/gif/clockvaults.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5538835
Saatler, Yerçekimi ve Görelilik
Einstein bize bunu gösterdi zaman farklı geçer senin de tabi olduğun yerçekimine bağlı olarak. Bir atom saatindeki atomların tıkırtısı, daha güçlü yerçekiminde gözlemlendiğinde yavaşlar. Örneğin Everest Dağı'nın tepesinde zaman, Mariana Çukuru'nun dibinde olduğundan daha hızlı hareket eder. Bunun nedeni, burada, Dünya'da yerçekimi kuvvetinin gezegenin merkezinde yoğunlaşmasıdır. Merkezden uzaklaştıkça yerçekimi azalır. Etkisi büyük değil, belki de sadece saniyenin milyonda biri. Ama orada. Bu bir şekilde mantıksız görünüyor, ancak Einstein'ın gösterdiği buydu ve doğru olduğu kanıtlandı.
Bu yeni atomik saatin istisnai yanı, tekrarlanabilirliğinin kanıtlanması, saatin hatasının burada, Dünya'daki zaman üzerindeki yerçekimi etkisini tespit etme yeteneğimizin altında olduğu anlamına geliyor.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) fizikçiler, atomik saatler için performans kriterlerini kıran iterbiyum elementine dayalı bir atomik saat geliştirdiler. Fizikçi Andrew Ludlow resimde. İmaj Kredisi: Burrus/NIST
NIST fizikçisi Andrew Ludlow bunu şöyle açıklıyor: “… gösterilen tekrarlanabilirlik, saatlerin toplam hatasının, yerçekiminin burada Dünya üzerindeki zaman üzerindeki etkisini açıklama konusundaki genel yeteneğimizin altına düştüğünü gösteriyor. Bu nedenle, bu gibi saatlerin ülke veya dünya çapında kullanıldığını tasavvur ettiğimizde, göreceli performansları ilk kez Dünya'nın yerçekimi etkileriyle sınırlı olacaktır.'
Fizikçiler, kesinliği zaman üzerindeki yerçekimi etkisinden daha büyük olan bir saatimiz olduğuna göre, saati Dünya'nın yerçekimi şeklini ölçmek için kullanabileceğimizi söylüyorlar. Dünyanın yerçekimi şeklini ölçmenin olağan yolu, gelgitlerini ölçmektir. Dünyanın dört bir yanına yerleştirilmiş gelgit göstergeleri kullanılıyor, ancak doğrulukları yalnızca birkaç santimetre ile. Yeni saatler, bu doğruluğu tek bir santimetreden daha aza indirebilir.
Aslında, bunlar iterbiyum saatler, Dünya'nın yerçekimsel şeklinden çok daha fazlasını ölçmek için kullanılabilir. Uzay-zamanın kendisini ölçmek ve erken evrenden gelen yerçekimi dalgalarını tespit etmek için kullanılabilirler. Karanlık maddeyi bile ölçebilmeleri mümkün. Bu doğruluk ve kesinlik seviyesinde, bu alet bir saatten çok daha fazlasıdır.
Taşınabilir, Oyunu Değiştiren Atom Saati
Ytterbium saati gibi bir saati etkileyebilen yalnızca yerçekimi değildir. Diğer çevresel etkiler cihazın doğruluğunu bozabilir. Soğutulmalı ve herhangi bir başıboş elektrik alanından izole edilmelidirler. Yeni saatler, elektrik ve ısı etkilerinden korunur, böylece hesaplanabilir ve düzeltilebilir.
Elektrik ve termal koruma gibi iyileştirmelerle fizikçiler, diğer saatleri ölçmek ve karşılaştırmak için farklı laboratuvarlara taşınabilen taşınabilir ytterbium saatler inşa ediyorlar. Göreceli jeodezi tekniklerini incelemek için başka yerlere de taşınabilirler. Bu bir oyun değiştirici olurdu, çünkü şu anda, en iyi atomik saatlerimiz, saniyeyi tanımlamak için sezyum atomunu kullanan, oda büyüklüğünde, sözde 'çeşme saatleri'.
Ancak yeni saatlerle bunların hepsi değişmek üzere olabilir.
Güle güle Sezyum, Merhaba Ytterbium
Önceki atomik saatler, şimdiye kadar mevcut olan en doğru zaman işleyişini sağlayan sezyum elementine dayanmaktadır. Sezyum atomunun titreşimi, Uluslararası Birimler Sisteminde (ISU) bir saniyenin süresini tanımlamak için 1960'lardan beri kullanılmaktadır. Ancak iterbiyum saatinin gelişmesiyle sezyumun zamanı dolmuş olabilir.
İlk sezyum saati 1955'te yapıldı ve o zamandan beri altın standart oldu. İkincisinin resmi tanımı, ilgilenirseniz, 1967'den beri kullanılmaktadır. 'İkincisi, yerin iki aşırı ince seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen radyasyonun 9 192 631 770 periyodunun süresidir. sezyum 133 atomunun durumu. Sonra 1997'de sezyumun 0 Kelvin'de olması gerektiği anlamına geldiğini açıkladılar.
Dünyanın ilk sezyum atom saati 1955'te Birleşik Krallık Ulusal Fizik Laboratuvarı'nda inşa edildi. O zamandan beri bir saniyenin uzunluğunu tanımlamak için kullanıldı. Resim: Ulusal Fizik Laboratuvarı tarafından – http://www.npl.co.uk/upload/img/essen-experiment_1.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid= 5543813
Diğer atomik saatler portatif hale getirilebilen rubidyum kullanılarak yapılmıştır. Sezyum kadar doğru değiller, ancak GPS, cep telefonu baz istasyonları gibi uygulamalar ve televizyon istasyonlarının frekansını kontrol etmek için yeterince iyiler. Ancak iterbiyum atomunu kullanan yeni atomik saatin geliştirilmesiyle, her iki dünyanın da en iyisine sahip olabiliriz: emsalsiz bilimsel doğruluk ve taşınabilirlik.
Yeni iterbiyum atom saati, bir saniyenin ne kadar uzun olduğunun tanımını yeniden tanımlamak için önde gelen bir adaydır. Bunun nedeni, Uluslararası Birimler Sistemi tarafından tanımlanan doğruluk eşiğini karşılamasıdır. Bu kurum, herhangi bir yeni tanımın, şu anda ikinciyi tanımlamak için kullanılan sezyum saatlerine göre onaylanmış doğrulukta 100 kat iyileştirme gerektireceğini söyledi.
Zamanı Dünya'nın dönüşüyle tanımlardık, ama o zamandan beri çok yol kat ettik. Dünyanın yerçekimsel şeklini, erken Evren'den gelen yerçekimi dalgalarını ve hatta belki de karanlık maddeyi ölçmek için nadir bulunan bir elementin tik hızını kullanan bir atomik saat, hiçbir tarihsel insanın içine bir çubuk sapladığında görüntüleyemediği bir şeydir. güneş kadranı yapmak için zemin.
Kaynaklar:
- Basın bülteni: NIST Atom Saatleri Artık Dünya Modellerini İyileştirmek için Zamanı Yeterince İyi Tutuyor
- Araştırma kağıdı: Jeodezik sınırın ötesinde atomik saat performansı
- MİT Haberleri: Hareket halindeyken atomik zaman işleyişi
- Vikipedi: Atomik saat
- Vikipedi: sezyum standardı
- Vikipedi: atomik elektron geçişi