Atomska ura je na voljo v številnih sortah. Nekatere so elektronika velikosti čipov, ki je bila razvita za vojsko, vendar je na voljo že zdaj, medtem ko večje in natančnejše atomske ure spremljajo čas na satelitih GPS. Toda vse atomske ure delujejo po istem principu. Čisti atomi - nekatere ure uporabljajo cezij, druge uporabljajo elemente, kot je rubidij - imajo v zunanji lupini vsakega atoma določeno število valenčnih elektronov ali elektronov. Ko se atomi udarijo z določeno frekvenco elektromagnetnega sevanja (na primer valovi svetlobe ali mikrovalov), valenčni elektroni prehajajo med dve energijski stanji.
V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so se znanstveniki odvrnili od merjenja časa na podlagi orbitov in vrtenja nebesnih teles in začeli uporabljati te ure po principih kvantne mehanike. Morda se zdi čuden način merjenja časa, vendar je trajanje določenega števila nihanj ali "klopov" v valu elektromagnetnega sevanja uradna metoda, s katero znanstveniki določajo drugo. Natančneje, sekunda je trajanje 9.192.631.770 nihanj mikrovalovnega laserja, ki bodo povzročile prehod cezijevih atomov.
Imamo pa še boljše atomske ure od tistih, ki merijo cezij.
"Če bi se naši dve urici interbija začeli izvajati na začetku vesolja, bi se v tem trenutku med seboj ne strinjali manj kot eno sekundo, " pravi William McGrew, fizik na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) ), v e-poštnem sporočilu.
NIST-jeva stabilna atomska ura z rešetko iterbija. Atomi iterbija se ustvarijo v pečici (velik kovinski valj na levi) in jih pošljejo v vakuumsko komoro na sredini fotografije, da se laserji manipulirajo in sondirajo. Lasersko svetlobo na uro prevaža pet vlaken (na primer rumeno vlakno v spodnjem središču fotografije). (James Burrus / NIST) Uterbijske ure pri NIST, Yb-1 in Yb-2 so edinstvena vrsta atomske ure, znana kot optična satna ura. Ure v bistvu uporabljajo elektromagnetno sevanje v optični frekvenci ali laserje, da lovijo na tisoče atomov itterbija in nato povzročijo, da njihovi zunanji elektroni preidejo med zemeljsko energijsko stanje in vzbujeno energijsko stanje. V primerjavi s cezijem je potrebna višja frekvenca elektromagnetnega sevanja, ki povzroči prehod itterbija.
Vsi elektromagnetni valovi, od radijskih valov do gama žarkov, in vsa vidna svetloba vmes so iste vrste valov, ki jih sestavljajo fotoni - razlika je le v tem, da valovi z višjimi frekvencami hitreje oscilirajo. Mikrovalovi, ki se uporabljajo za prehod cezija, se raztezajo na daljše valovne dolžine in nižje frekvence kot vidna svetloba. Uporaba atomov, ki prehod na višjih frekvencah, je ključna za izgradnjo boljše ure. Medtem ko je trenutno približno 9 milijard nihanj mikrovalovne pečice, bi enako trajanje predstavljali bližje 500 bilijonom nihanj vala vidne svetlobe, kar bi povečalo sposobnost znanstvenikov za natančno merjenje časa.
Če se merilni laser na urni interbiju pokliče na točno pravo frekvenco, bodo atomi itterbija skočili do vznemirjenega energijskega stanja. To se zgodi, ko je laser s frekvenco natanko 518.295.836.590.863, 6 Hertz - število "klopov" v eni sekundi.
"To ustreza valovni dolžini 578 nanometrov, ki je očesu videti rumena, " pravi McGrew.
Nove meritve z Yb-1 in Yb-2, ki jih je vodila ekipa McGrewa pri NIST-u, so dosegle nove rekorde na treh ključnih področjih natančnosti meritev, kar je v nekaterih pogledih prineslo najboljše meritve drugega doslej. Ure so natančno postavile nove rekorde glede sistematične negotovosti, stabilnosti in obnovljivosti. Nove meritve so podrobno opisane v prispevku, objavljenem danes v reviji Nature .
Optične ure iterbija so v teh vidikih še natančnejše od ure s cezijevim vodnjakom, ki se uporabljajo za določitev definicije sekunde. Uterbijske ure tehnično niso natančnejše od ure, ki so urejene s cezijevim urom, saj natančnost natančno določa, kako blizu je meritev uradni definiciji, in nič ne more biti bolj natančna od cezijevih ur, na katerih temelji definicija. Kljub temu je ključna metrika tukaj sistematična negotovost - merilo, kako natančno ura spozna resnično, nemoteno, naravno nihanje atomov itterbija (natančna frekvenca, ki jih povzroči prehod).
Nove meritve ustrezajo naravni frekvenci znotraj napake 1, 4 dela v 10 18, ali približno na milijardo milijarde. Ure cezijeve ure so dosegle le sistematično negotovost približno enega dela v 10 16 . Tako bi bile v primerjavi s cezijevimi urami nove meritve itterbija "100-krat boljše, " pravi Andrew Ludlow, fizik in avtor soslovencev NIST.
Izziv pri teh vrstah meritev je ukvarjanje z zunanjimi dejavniki, ki lahko vplivajo na naravno frekvenco atomov itterbija - in ker so to nekatere najobčutljivejše meritve, kar jih je bilo kdaj doseženih, je vsak fizični učinek vesolja dejavnik. "Skoraj vse, na kar bi si lahko poljubno mislili, ima sčasoma nekaj vpliva na nihajno frekvenco atoma, " pravi Ludlow.
Zunanji učinki, ki premikajo naravno frekvenco ur, vključujejo sevanje črnega telesa, gravitacijo, električna polja in rahle trke atomov. "Veliko časa porabimo za to, da previdno prečkamo in ... natančno razumemo vse učinke, ki so pomembni za zajezitev števila tiksov ura - tisto prehodno frekvenco - ter za vstop in merjenje tistih na dejanskih atomih da jih opredelimo in nam pomagajo ugotoviti, kako dobro lahko resnično nadziramo in merimo te učinke. "
Da bi zmanjšali vpliv teh naravnih fizikalnih dejavnikov, se atomi itterbija, ki se naravno pojavijo v nekaterih mineralih, najprej segrejejo v plinasto stanje. Nato se lasersko hlajenje uporablja za znižanje temperature atomov iz sto stopinj kelvina na nekaj tisočih stopinj, nato pa se ohladi na temperature približno 10 mikrokelvin ali 10 milijonov stopinj nad absolutno ničlo. Nato se atomi naložijo v vakuumsko komoro in toplotno zaščitno okolje. Merilni laser seva skozi atome in se odbija nazaj na sebe, kar ustvarja "rešetko", ki lovi atome v visokoenergetskih delih stoječega valovanja svetlobe, ne pa v tekočem valovanju, kot je tipičen laserski kazalec.
Izboljšanje "stabilnosti" in "obnovljivosti" meritev, za katere so ure iterbijeve ure postavile tudi nove rekorde, pomaga nadalje upoštevati zunanje sile, ki vplivajo na ure. Stabilnost ur je v bistvu merilo, koliko se frekvenca spreminja skozi čas, kar smo merili za Yb-1 in Yb-2 na 3, 2 delov v 10 19 v enem dnevu. Ponovljivost je merilo, kako blizu sta si dve uri med seboj, in z 10 primerjavami je bila frekvenčna razlika med Yb-1 in Yb-2 ugotovljena na manj kot milijardo milijarde.
"Ključno je imeti dve uri, " pravi McGrew. "Za negotovost je značilen pregled vsakega premika, ki bi lahko spremenil frekvenco prehoda. Vendar pa vedno obstaja možnost "neznanih neznank" premikov, ki še niso razumljeni. Z dvema sistemoma je mogoče preveriti svojo karakterizacijo negotovosti tako, da ugotovite, ali se oba neodvisna sistema med seboj strinjata. "
Takšno natančnost pri merjenju časa znanstveniki že uporabljajo, vendar praktične uporabe izboljšanih meritev drugega vključujejo napredek v navigaciji in komunikacijah. Čeprav tega takrat še nihče ni mogel vedeti, bi zgodnje delo z atomskimi urami sredi 20. stoletja končno omogočilo Globalni sistem za določanje položaja ter vsako industrijo in tehnologijo, ki se nanj opira.
"Mislim, da ne bi mogel popolnoma napovedati, katere aplikacije bodo čez 20 ali 50 let imele največ koristi, vendar lahko rečem, da ko gledam nazaj v zgodovino, nekateri najgloblji vplivi atomske ure danes niso bili predvideni, " «Pravi Ludlow.
Rumeni laserji ene od NIST-ovih optičnih mrežastih ur. (Nate Phillips / NIST) Utorbijske ure bi se lahko uporabljale tudi v naprednih raziskavah fizike, kot so modeliranje gravitacijskega polja in možno odkrivanje temne snovi ali gravitacijskih valov. Ure so v bistvu tako občutljive, da bi lahko zaznali kakršne koli motnje zaradi spreminjanja gravitacije ali drugih fizičnih sil. Če bi po vsem svetu postavili več urterbijskih ur, bi lahko izmerili minutne spremembe gravitacije (ki je močnejša bliže gladini morja in bliže polovam), kar omogoča znanstvenikom, da natančneje kot kdajkoli prej izmerijo obliko zemeljskega gravitacijskega polja. prej. Podobno je bilo mogoče zaznati interakcijo s delci temne snovi ali celo morda gravitacijskimi valovi, ki vplivajo na dve uri, ki sta se razširili daleč narazen.
"Znanstveno danes to neverjetno natančnost uporabljamo že za nekatere od teh temeljnih fizikalnih študij - iščemo temno snov, iščemo variacije osnovnih konstant, iščemo kršitve v nekaterih Einsteinovih teorijah in drugih stvareh. … Če s pomočjo teh neverjetnih merilnih orodij kdaj odkrijemo kakršne koli kršitve [zakonov fizike], bi to lahko pomenilo ogromen spreminjalec iger v našem razumevanju vesolja, torej, kako se bosta od tu naprej razvijali znanost in tehnologija. ”
V naslednjih desetih letih je možno, da se bodo svetovne merilne ustanove odločile na novo definirati drugo optično uro, ne pa cezijevo uro. Takšna redefinicija je verjetno neizogibna, saj optični laserji delujejo na veliko višjih frekvencah kot mikrovalovi, s čimer se poveča število klopov ure, ki jih vsebuje sekunda. Meritev ure iterbija bi bila dober kandidat za novo definicijo, vendar so optične rešetkaste ure, ki uporabljajo živo srebro in stroncij, prinesle tudi obetavne rezultate, ionske optične ure, ki en atom zaustavijo in prestopijo, pa predstavljajo še eno zanimivo možnost za novo opredelitev.
Te meritve atomskih pojavov postajajo vedno bolj natančne, in kam nas bo pripeljalo naše razvijajoče se razumevanje časa, je nemogoče vedeti.
