Уморени от часовниците ви губят време с течение на годините? Нов атомен часовник, който е най-точният досега, използва иттербиеви атоми и лазери, за да определи точно секундата. Изображение чрез Flickr потребител Earls37a
Ако часовникът на китката ви течеше бавно с пет минути в продължение на една година, вероятно няма да мислите нищо за това. Но учените и инженерите разчитат на ултра точни атомни часовници за редица приложения, а търсенето на все по-точни часовници продължава от хилядолетия.
Сега група изследователи, ръководени от Андрю Лудлоу от Националния институт за стандарти и технологии, поставиха летвата по-високо от всякога. Техният най-нов атомен часовник, разкрит вчера, се очаква да стане неточен за период от 1, 6 секунди след пускане за общо 10 18 секунди - или с други думи, той губи една пълна секунда за около 50, 8 милиарда години,
В статията, описваща техния часовник, изследователите предоставиха две аналогии за това ниво на точност: „е еквивалентно на определяне на възрастта на известната вселена с точност по-малка от една секунда“, пишеха те, „или диаметърът на Земята е по-малък от ширината на атом. "
Подобно на всички часовници, атомните часовници поддържат последователно време чрез базиране на продължителността на секундата от физическо събитие, което се случва с редовността. Докато механичните часовници използват замахването на махалото, за да поддържат време, атомните часовници използват механизъм, който се появява с още по-голяма регулярност: специфичната честота на светлината, необходима, за да може атомът да се колебае между две енергийни състояния (по-специално, за да премине от основно състояние в възбудено състояние), което винаги е еднаква стойност. Например, настоящият международен стандарт, който определя продължителността на секундата, е 9, 192, 631, 770 цикъла от количеството на микровълновата радиация, което кара цезиевите атоми да се колебаят между двете енергийни състояния и в процеса излъчват възможно най-много светлина.
Няколко фактора обаче могат да изкривят и най-внимателните измервания на тази честота. Това, което изследователите, стоящи зад този нов часовник, са създали иновативен дизайн (използвайки различен елемент), който минимизира тези изкривявания повече от всеки часовник преди.
Техният дизайн, наречен „часовник с оптична решетка“, улавя итербиевите атоми вътре в решетъчната кутия от лазерни лъчи. Задържани на място, атомите са бомбардирани от втори тип лазер, който принуждава електроните им да скочат в енергийно ниво. Сензор проверява, за да се увери, че всички атоми достигат по-високо енергийно ниво, а прецизната светлинна честота, необходима за принуждаването им, се преобразува в точната дължина на секундата.
Обикновено всяко леко физическо движение на атомите при бомбардирането им може да доведе до фини промени в честотата на светлината, необходима за повишаване на енергийното им ниво (резултат от доплерово изместване), отхвърляйки точността на часовника. Но, както е описано в технологичния преглед на MIT, където за първи път бяха публикувани новини за часовника, кутията с лазерни лъчи „държи атомите в херметичен хват, който свежда до минимум всички доплерови ефекти.“ Освен това решетката улавя сравнително голям брой на атоми (между 1 000 и 1 000 000) в сравнение с повечето атомни часовници, така че осредняването на количеството радиация, необходимо за повишаване на всеки от тях до по-високо ниво на енергия, осигурява по-точна стойност на точната честота на радиацията, която след това се използва за определяне на времето.
Сравнявайки два такива часовника заедно, авторите откриха нещо забележително - всеки „тик“ измерва интервали от време толкова перфектно, че един часовник ще изостава само от истинското време с една десета от секундата, когато нашето Слънце обгърне Земята, докато се развива в червено гигант на около 5 милиарда години от сега.
Този нов часовник - и постепенното усъвършенстване на атомните часовници като цяло - може да изглежда като чисто академичен стремеж, но в действителност има множество много полезни приложения на технологията. Вземете например приложението „карти“ на вашия телефон. Без способността да синхронизирате часовника на големи разстояния, GPS системата няма да може да работи, тъй като разчита на точното сравнение на времето, отнемащо сигнали за пътуване от няколко различни спътника до устройството ви с GPS.
Бъдещите занимания, които биха могли да използват този най-нов напредък в атомния часовник, биха могли да попаднат в науката за геодезията, която се стреми прецизно да измерва малки промени във формата на Земята и нейното гравитационно поле във времето. Всички часовници тикат с безкрайно по-бавни темпове на морско равнище, отколкото на миля високо, защото силата на гравитацията е по-силна, когато е по-близо до Земята. В момента, при най-сложните атомни часовници, тази разлика в скоростта може да се измери само когато котата се промени с хиляди фута, но с новия часовник те ще бъдат откриваеми, когато часовникът се повдигне или свали само с сантиметър, което прави системата потенциално полезен за измерване на леки промени в дебелината на ледника или височина, получени от планинските вериги с течение на времето, когато тектоничните плочи се сблъскват.
