Атомният часовник се предлага в много разновидности. Някои от тях са електроника с чипове, разработена за военните, но достъпна в търговската мрежа, докато по-големите и по-точни атомни часовници следят времето на GPS сателитите. Но всички атомни часовници работят на един и същ принцип. Чистите атоми - някои часовници използват цезий, други използват елементи като рубидий - имат определен брой валентни електрони или електрони във външната обвивка на всеки атом. Когато атомите са ударени със специфична честота на електромагнитно излъчване (вълни от светлина или микровълни, например), валентните електрони преминават между две енергийни състояния.
През 60-те години учените се отклониха от измерването на времето въз основа на орбитите и въртенията на небесните тела и започнаха да използват тези часовници въз основа на принципите на квантовата механика. Може да изглежда странно начин за измерване на времето, но продължителността на определен брой трептения или „кърлежи“ във вълна от електромагнитно излъчване е официалният метод, чрез който учените определят втория. По-конкретно, секунда е продължителността на 9, 192, 631, 770 трептения на микровълнов лазер, които ще причинят преход на цезиевите атоми.
Но имаме дори по-добри атомни часовници от тези, които измерват цезия.
„Ако нашите два часа итербиеви часовници бяха пуснати в началото на Вселената, в този момент те биха се разминали помежду си с по-малко от една секунда“, казва Уилям Макгрю, физик от Националния институт за стандарти и технологии (NIST ), в имейл.
Ултра стабилният атомен часовник с решетъчен итербиев решетка на NIST. Иттербиевите атоми се генерират във фурна (голям метален цилиндър вляво) и се изпращат до вакуумна камера в центъра на снимката, за да бъдат манипулирани и изпробвани с лазери. Лазерната светлина се транспортира до часовника от пет влакна (като жълтото влакно в долния център на снимката). (Джеймс Бъррус / NIST) Иттербиевите часовници при NIST, Yb-1 и Yb-2 са уникален тип атомен часовник, известен като оптичен решетъчен часовник. По същество часовниците използват електромагнитно излъчване в оптичната честота или лазери, за да улавят хиляди атоми на итербий и след това да причинят външните им електрони да преминат между земно енергийно състояние и възбудено енергийно състояние. В сравнение с цезия се изисква по-висока честота на електромагнитното излъчване, за да доведе до преход на итербий.
Всички електромагнитни вълни, от радиовълни до гама лъчи и цялата видима светлина между тях, са един и същ тип вълни, съставени от фотони - разликата е просто в това, че вълните с по-високи честоти се колебаят по-бързо. Микровълните, които се използват за преход на цезия, се разтягат на по-дълги вълни и по-ниски честоти от видимата светлина. Използването на атоми, които преминават на по-високи честоти е от ключово значение за изграждането на по-добър часовник. Докато секунда в момента е около 9 милиарда трептения на микровълновата печка, същата продължителност на времето би била представена от по-близо до 500 трилиона трептения на вълна от видима светлина, повишаваща способността на учените да измерват точно времето.
Ако лазерът за измерване на итербиевия часовник бъде набран с точно правилната честота, атомите на итербий ще скочат до възбудено енергийно състояние. Това се случва, когато лазерът е с честота точно 518, 295, 836, 590, 863.6 Hertz - броят на "кърлежите" за една секунда.
„Това съответства на дължина на вълната от 578 нанометра, която изглежда жълта за окото“, казва Макгрю.
Нови измервания с Yb-1 и Yb-2, ръководени от екипа на McGrew в NIST, постигнаха нови рекорди в три ключови области на точност на измерване, произвеждайки, в някои отношения, най-добрите измервания от втората постигната досега. По-конкретно, часовниците поставят нови рекорди за системна несигурност, стабилност и възпроизводимост. Новите измервания са подробно описани в документ, публикуван днес в Nature .
Оптичните часовници итербиум са дори по-прецизни в тези аспекти от часовниковите часовници с чезиев фонтан, които се използват за определяне на дефиницията на секунда. Иттербиевите часовници технически не са по- точни от цезиевите часовници, тъй като точността е конкретно колко близо е измерването до официалното определение и нищо не може да бъде по-точно от цезиевите часовници, на които се основава определението. Въпреки това, основният показател тук е систематичната несигурност - мярка за това колко точно часовникът осъзнава истинското, необезпокоявано, естествено колебание на иттербиевите атоми (точната честота, която ги кара да преминават).
Новите измервания съответстват на естествената честота при грешка от 1, 4 части в 10 18, или около една милиардна част от милиарда. Цезиевите часовници са постигнали само систематична несигурност от около една част на 10 16 . Така в сравнение с цезиевите часовници, новите измервания на итербия „биха били 100 пъти по-добри“, казва Андрю Лудлоу, физик от NIST и съавтор на статията.
Предизвикателството при тези видове измервания е справяне с външни фактори, които могат да повлияят на естествената честота на иттербиевите атоми - и тъй като това са някои от най-чувствителните измервания, постигани някога, всеки физически ефект на Вселената е фактор. „Почти всичко, за което бихме могли да мислим произволно сега, в крайна сметка има някакъв ефект върху честотата на трептенията на атома“, казва Лудлоу.
Външните ефекти, които изместват естествената честота на часовниците, включват излъчване на черно тяло, гравитация, електрически полета и леки сблъсъци на атомите. „Ние прекарваме много от времето си, опитвайки се внимателно да преминем и… да разберем точно всички ефекти, които са от значение за объркване на скоростта на отметка на часовника - тази преходна честота - и влизаме и правим измервания на тези на действителните атоми за да ги характеризираме и да ни помогнем да разберем колко добре можем наистина да контролираме и измерваме тези ефекти. "
За да се намали въздействието на тези естествени физически фактори, атомите на итербий, които се срещат естествено в някои минерали, първо се нагряват до газообразно състояние. Тогава лазерното охлаждане се използва за намаляване на температурата на атомите от стотици градуси келвин до няколко хилядни от градуса и след това допълнително охлаждане до температури от около 10 микрокелвина, или 10 милионни градуса над абсолютната нула. След това атомите се зареждат във вакуумна камера и термично екранираща среда. Измервателният лазер се излъчва през атомите и се отразява обратно върху себе си, създавайки "решетката", която улавя атомите във високоенергийни части на стояща светлинна вълна, а не в бягаща вълна, като например типичен лазерен показалец.
Подобряването на "стабилността" и "възпроизводимостта" на измерванията, за които часовниците от итербий също поставят нови рекорди, помага за по-нататъшното отчитане на всички външни сили, засягащи часовниците. Стабилността на часовниците по същество е мярка за това колко честота се променя с течение на времето, което е измерено за Yb-1 и Yb-2 на 3.2 части в 10 19 в течение на един ден. Възпроизводимостта е мярка за това колко близо двата часовника съвпадат един с друг и чрез 10 сравнения честотната разлика между Yb-1 и Yb-2 е определена като по-малка от милиардна част от милиарда.
„От изключително значение е да имате два часа“, казва Макгрю. „Неопределеността се характеризира с изследване на всяко изместване, което може да промени честотата на прехода. Въпреки това, винаги има възможност за „неизвестни неизвестни“, смени, които все още не са разбрани. С наличието на две системи е възможно да проверите вашата характеристика на несигурността, като видите дали двете независими системи са съгласни една с друга. "
Такава прецизност при измерване на времето вече се използва от учените, но практическите приложения на подобрените измервания на втория включват напредък в навигацията и комуникациите. Въпреки че никой не би могъл да го знае по онова време, ранната работа с атомните часовници в средата на 20 век в крайна сметка ще даде възможност на Глобалната система за позициониране и всяка индустрия и технологии, които разчитат на нея.
„Не мисля, че бих могъл да предскажа напълно какви приложения след 20 или 50 години ще се възползват най-много от това, но мога да кажа, че като гледам назад в историята, някои от най-дълбоките въздействия на атомните часовници днес не се очакваха, - казва Лудлоу.
Жълтите лазери на един от решетъчните часовници с оптичен итербиев на NIST. (Нейт Филипс / NIST) Иттербиевите часовници могат да бъдат използвани и при напреднали изследвания във физиката, като например гравитационно моделиране на полето и възможно откриване на тъмна материя или гравитационни вълни. По същество часовниците са толкова чувствителни, че всяка намеса поради промяна на гравитацията или други физически сили може да бъде открита. Ако сте позиционирали множество итербиеви часовници по света, можете да измерите минутните промени в гравитацията (която е по-силна по-близо до морското равнище, както и по-близо до полюсите), което позволява на учените да измерват формата на земното гравитационно поле с по-голяма точност от всякога преди. По подобен начин може да се открие взаимодействие с частици от тъмна материя или дори евентуално гравитационни вълни, засягащи два часа, разпространени далеч един от друг.
„Научно използваме тази удивителна точност днес вече за някои от тези фундаментални изследвания на физиката - да търсим тъмна материя, да търсим вариации на основните константи, да търсим нарушения в някои от теориите на Айнщайн и други неща. … Ако някога открием някакви нарушения [на законите на физиката] с помощта на тези невероятни инструменти за измерване, това би могло да бъде огромен смяна на играта в нашето разбиране за Вселената и следователно как науката и технологиите ще се развиват оттам нататък. “
В следващите 10 или повече години е възможно научните институции по света да решат да дефинират втория на базата на оптичен часовник, а не на цезиев часовник. Такова предефиниране вероятно е неизбежно, тъй като оптичните лазери работят на много по-високи честоти от микровълните, увеличавайки броя на „кърлежите“ на часовника, съдържащи се в секунда. Измерването на часовник от итербий би било добър кандидат за ново определение, но оптичните решетъчни часовници, използващи живак и стронций, също дадоха обещаващи резултати, а йонните оптични часовници, които суспендират и преминават един атом, представляват още една интригуваща възможност за ново определение.
Тези измервания на атомните явления стават все по-прецизни и къде ще ни отведе развиващото се разбиране на времето, е невъзможно да се знае.
