פיסיקאים פיתחו שעון אטומי כל כך מדויק שהוא ייגמר בפחות משנייה אחת תוך 14 מיליארד שנים. דיוק ודיוק מסוג זה הופכים אותו ליותר מסתם שעון זמן. זהו מכשיר מדעי רב עוצמה שיכול למדוד גלי כבידה, לנקוט מידה של צורת הכבידה של כדור הארץ, ואולי אפילו לזהות חומר אפל.
איך הם עשו את זה?
פיסיקאים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה אומרים כי השעון האטומי החדש שלהם מבוסס על יסוד האדמת נדיר. הם משתמשים ברשת של קרני לייזר הנקראות סריג אופטי בכדי ללכוד 1000 אטומי ytterbium. האטומים "מתקתקים" באופן טבעי על ידי מעבר בין שתי רמות אנרגיה. פעולה זו נקראת מעבר אלקטרונים אטומיים, ונדרשת ננו-שניות כדי להתרחש. בכל פעם שהם מתקתקים, או משנים רמות אנרגיה, האלקטרונים פולטים אנרגיה במיקרוגל, אותה ניתן לאתר. הפיזיקאים של NIST בנו שניים משעוני הרחבה הללו, ועל ידי השוואתם הם השיגו ביצועים שוברי שיא.
ביצועי שובר שיא זה נמדדים בשלוש דרכים:
- אי ודאות שיטתית: כך מייצג השעון את הרטט הטבעי של אטומי ytterbium. שעון ytterbium כבה רק במיליארד מהמיליארד.
- יציבות: כך משתנה תדר השעון בזמן מוגדר. במקרה זה, הם מדדו את שעון ytterbium שלהם וזה השתנה ב- 0.0000000000000000003232 בלבד במשך יום.
- הדבקות: מודד זה כמה מקרוב שני שעוני ytterbium מתקתקים באותה תדר. בעשרה השוואות בין זוג השעונים, ההבדל שוב היה פחות ממיליארד מהמיליארד.
"אי ודאות שיטתית, יציבות ושחזור יכולות להיחשב 'הסומק המלכותי' של הביצועים לשעונים האלה," אמר ראש הפרויקט אנדרו לודלו בהודעה לעיתונות. "הסכמתם של שני השעונים ברמה חסרת תקדים זו, שאנו מכנים אותה לשחזור, היא אולי התוצאה החשובה ביותר, מכיוון שהיא בעצם מחייבת ומבססת את שתי התוצאות האחרות."
איינשטיין הראה לנו שהזמן עובר אחרת תלוי בכוח הכובד שגם אתם נושא בו. התקתק האטומים בשעון אטומי הואט כאשר הוא נצפה בכובד כוח חזק יותר. בחלקו העליון של הר. אוורסט, למשל, הזמן עובר מהר יותר מאשר בתחתית טרנץ 'מריאנה. הסיבה לכך היא שכאן, על כדור הארץ, כוח הכובד מרוכז במרכז כדור הארץ. ככל שאתה רחוק מהמרכז, יש פחות כוח הכבידה. ההשפעה אינה גדולה, אולי רק מיליונית השנייה. אבל זה שם. זה נראה איכשהו נגד אינטואיטיבי, אבל זה מה שאיינשטיין הראה, והוא הוכח כנכון.
הדבר החריג בשעון אטומי חדש זה הוא שהדגימתו לשחזור פירושה ששגיאת השעון נמצאת מתחת ליכולת שלנו לזהות את ההשפעה הכבידה על הזמן כאן על פני כדור הארץ.
הפיזיקאי של NIST אנדרו לודלו מסביר זאת כך: "... ההשחזור המוכח מראה כי הטעות הכוללת של השעונים יורדת מתחת ליכולת הכללית שלנו להסביר את השפעת הכובד על הזמן כאן בכדור הארץ. מכאן שאנו רואים שעונים כמו אלה משמשים ברחבי הארץ או העולם, הביצועים היחסיים שלהם יהיו, לראשונה, מוגבלים על ידי השפעות הכבידה של כדור הארץ. "
הפיזיקאים אומרים שכעת כשיש לנו שעון שהדיוק שלו גדול מההשפעה הכבידה על הזמן, נוכל להשתמש בשעון כדי למדוד את צורת הכבידה של כדור הארץ. הדרך הרגילה למדידת צורת הכבידה של כדור הארץ היא על ידי מדידת הגאות והשפל שלה. משתמשים במדדים גאות הנמצאים ברחבי העולם, אך הדיוק שלהם הוא רק בכמה סנטימטרים. השעונים החדשים עשויים להוריד את הדיוק הזה פחות מסנטימטר בודד.
למעשה, ניתן להשתמש בשעוני ytterbium אלה למדידה הרבה יותר מצורת הכבידה של כדור הארץ. הם יכולים לשמש למדידת זמן החלל עצמו, ולגילוי גלי כבידה מהיקום המוקדם. ייתכן שהם אפילו יכולים למדוד חומר אפל. ברמה זו של דיוק ודיוק, מכשיר זה הוא הרבה יותר מסתם שעון.
זה לא רק כוח המשיכה שיכול להשפיע על שעון כמו שעון ytterbium. השפעות סביבתיות אחרות עלולות לשבש את דיוק המכשיר. יש לשמור אותם מקוררים ועליהם להיות מבודדים מכל שדות חשמליים תועים. השעונים החדשים מוגנים מפני השפעות חשמל וחום כך שניתן יהיה לתת עליהם דין וחשבון לתיקון.
בעזרת שיפורים כמו מיגון חשמלי ותרמי, הפיזיקאים בונים שעוני ytterbium ניידים הניתנים להובלה למעבדות שונות כדי למדוד ולהשוות שעונים אחרים. ניתן היה להעביר אותם למקומות אחרים כדי ללמוד טכניקות גיאודזיה רלטיביות. זה יהיה מחליף משחק, כי נכון לעכשיו, השעונים האטומיים הטובים ביותר שלנו הם בגודל החדר, מה שנקרא "שעוני מזרקה" המשתמשים באטום הצזיום כדי להגדיר את השני.
אבל כל זה יכול להשתנות עם השעונים החדשים.
שעונים אטומיים קודמים מבוססים על היסוד צזיום, שעד כה סיפק את זמן הזמן המדויק ביותר שקיים. הרטט של אטום הצזיום משמש מאז שנות השישים להגדרת משך שנייה אחת במערכת היחידות הבינלאומית (ISU). אך עם התפתחות שעון ה- ytterbium, ייתכן שזמן הקזזיום יעבור.
שעון הצזיום הראשון נבנה בשנת 1955, ומאז הוא היה תקן הזהב. ההגדרה הרשמית של השנייה, אם אתה מעוניין, נמצאת בשימוש מאז 1967. היא אומרת: "השנייה היא משך הזמן של 9 192 631 770 תקופות קרינה המתאימות למעבר בין שתי הרמות ההיפר-פיניליות של הקרקע. מצב האטום צזיום 133. " ואז בשנת 1997 הם הבהירו את המשמעות שהצזיום צריך להיות בקלווין 0.
שעונים אטומיים אחרים נבנו באמצעות רובידיום, שניתן להפוך אותם לניידים. הם לא מדויקים כמו צזיום, אבל הם טובים מספיק ליישומים כמו GPS, תחנות בסיס לטלפונים ניידים ובקרה על תדירות תחנות הטלוויזיה. אך עם התפתחות שעון האטום החדש באמצעות אטום ytterbium, יתכן שיש לנו את הטוב משני העולמות: דיוק מדעי חסר תקדים וניידות.
השעון האטומי החדש של האטביום הוא מועמד מוביל להגדיר מחדש את ההגדרה עד כמה שנייה היא. הסיבה לכך היא שהיא עומדת בסף הדיוק שהוגדר על ידי מערכת היחידות הבינלאומית. אותו גורם אמר כי כל הגדרה חדשה תדרוש שיפור פי 100 ברמת הדיוק המאומת על פני שעוני הצזיום המשמשים כיום להגדרת השנייה.
נהגנו להגדיר זמן לפי סיבוב כדור הארץ, אבל עברנו דרך ארוכה מאז. שעון אטומי המשתמש בקצב הסימון של יסוד אדיר נדיר למדידת צורת הכבידה של כדור הארץ, גלי כבידה מהיקום הקדום, ואולי אפילו חומר אפל הוא דבר ששום אדם היסטורי לא יכול היה לצלם אי פעם כאשר תקעו מקל האדמה כדי ליצור חיוג שמש.
- הודעה לעיתונות: שעונים אטומיים של NIST שומרים כעת מספיק על מנת לשפר את דגמי כדור הארץ
- נייר מחקר: ביצועי שעון אטומי מעבר לגבול הגאודטי
- חדשות MIT: תזמון זמן אטומי, בדרכים
- ויקיפדיה: שעון אטומי
- ויקיפדיה: תקן צזיום
- ויקיפדיה: מעבר אלקטרונים אטומיים
