Fizycy ujawniają najdokładniejszy zegar na świecie (i bliźniak do porównania)

Zegary to jedna z technologii wspomagających współczesnego świata. Bez bardzo dokładnych zegarów globalny system pozycjonowania nie działałby poprawnie, podobnie jak nie byłaby możliwa synchronizacja sieci na duże odległości. A fizycy polegają na zegarach, aby testować fundamentalne prawa wszechświata na coraz głębszych poziomach.

Dlatego ważnym celem jest posiadanie dokładniejszych i bardziej niezawodnych zegarów.

Dzisiaj Andrew Ludlow z National Institute of Standards and Technology w Boulder wraz z kilkoma kumplami prezentuje dwa najdokładniejsze zegary, jakie kiedykolwiek zbudowano. Mówią, że ich nowe zegary mogą odmierzać czas z niespotykaną precyzją jednej części w 10-18.

Ludlow i wsp. ujęli to w odpowiedniej perspektywie: pomiar na poziomie ułamkowym 1018 jest równoważny określeniu wieku znanego wszechświata z dokładnością do mniej niż jednej sekundy lub średnicy Ziemi z dokładnością mniejszą niż szerokość atomu.

Ich zegar to prosta bestia, przynajmniej w zasadzie. Podstawową ideą jest to, że sekundę można zdefiniować przez częstotliwość światła emitowanego przez atom, gdy elektrony w stanie podstawowym przeskakują do innego stanu.

Trudność polega na dokładnym zmierzeniu tej częstotliwości. Dzieje się tak, ponieważ każdy mały ruch atomu generuje efekt Dopplera, który zmienia częstotliwość. Co więcej, zabłąkane pola elektryczne mogą przesuwać te przejścia elektronowe, zmieniając ich częstotliwość, zjawisko znane jako przesunięcie Starka. Przezwyciężenie tych małych źródeł błędów jest głównym wyzwaniem w budowaniu dokładnych zegarów.

Ludlow i kumple zrobili to za pomocą technologii znanej jako optyczny zegar kratowy. W tym podejściu odbijają laser od lustra, tworząc stojącą falę światła, która tworzy siatkę do wychwytywania atomów. To rodzaj pojemnika na jajka, w którym siedzą atomy.

Następnie wypełniają to pudełko atomami iterbu i niszczą je innym laserem, aby zobaczyć częstotliwość, z jaką zachodzi przejście elektronowe.

Pudełko na jajka jest ważne, ponieważ utrzymuje atomy w uchwycie przypominającym imadło, który minimalizuje wszelkie efekty Dopplera.

Jednak pola elektryczne związane ze światłem generują przesunięcie Starka. Zespół poradził sobie z tym, wybierając tak zwane magiczne przejście w iterbie, w którym oba stany elektronowe są przesunięte o tę samą wartość, pozostawiając niezmienioną częstotliwość przejścia.

A ponieważ pojemnik na jajka może być wypełniony wieloma atomami, Ludlow i co-co-mogą dokonywać pomiarów przy użyciu wielu atomów, aby uzyskać wyraźniejszy sygnał.

Rezultatem jest zegar, który traci tylko jeden tik na 1018 taktów.

Oczywiście nie ma możliwości zmierzenia dokładności jednego zegara, dlatego ci goście mają dwa.

Nowe zegary natychmiast umożliwiają szereg nowych i ważnych zastosowań. Te zegary są tak czułe, że mogą z łatwością mierzyć grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, w którym zegary tykają wolniej w silniejszych polach grawitacyjnych. Innymi słowy, potrafią wyczuć zmiany wysokości.

Najlepsze współczesne zegary są wrażliwe na zmiany wielu metrów lub kilometrów. Nowy zegar powinien być w stanie dostrzec zmiany około 1 cm na powierzchni Ziemi. Będzie to dotyczyło zastosowań takich jak hydrologia, geologia i pomiary zmian pokrywy lodowej w badaniach zmian klimatycznych.

Fizycy sprawdziliby również, czy takie rzeczy jak grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni i stała struktura subtelna zmieniają się wraz z pozycją, ważne fundamentalne testy fizyki.

Ulepszanie zegarów to ciągły proces, który ludzkość podjęła od kilku tysięcy lat. Te najnowsze czasomierze są imponującym zwieńczeniem całej tej pracy, a jednak w niedalekiej przyszłości zostaną przyćmione.

Rzeczywiście Ludlow i spółka wskazują na różne ulepszenia, które musieli wprowadzić w niedalekiej przyszłości, aby uczynić swój zegar jeszcze lepszym. A kiedy to zrobią, kolejne zegary będą jeszcze lepsze. Taka jest natura technologii.

Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1305.5869 : Zegar atomowy z niestabilnością 10-18

ukryć