Ceasul atomic vine în multe soiuri. Unele sunt electronice de dimensiuni cip, dezvoltate pentru armată, dar disponibile acum în comerț, în timp ce ceasurile atomice mai mari și mai exacte urmăresc timpul pe sateliții GPS. Dar toate ceasurile atomice funcționează pe același principiu. Atomii puri - unii ceasuri folosesc cesiu, alții folosesc elemente precum rubidiul - au un anumit număr de electroni de valență sau electroni în carcasa exterioară a fiecărui atom. Când atomii sunt loviti cu o frecvență specifică de radiații electromagnetice (unde de lumină sau microunde, de exemplu), tranziția electronilor de valență între două stări energetice.
În anii '60, oamenii de știință s-au abatut de la măsurarea timpului bazate pe orbitele și rotațiile corpurilor cerești și au început să folosească aceste ceasuri pe baza principiilor mecanicii cuantice. Poate părea un mod ciudat de a măsura timpul, dar durata unui număr specific de oscilații, sau „căpușe”, într-un val de radiații electromagnetice este metoda oficială prin care oamenii de știință o definesc pe a doua. Mai exact, o secundă este de 9.192.631.770 oscilații ale unui laser cu microunde care va determina tranziția atomilor de cesiu.
Dar avem și ceasuri atomice și mai bune decât cele care măsoară cesiu.
„Dacă cele două ceasuri ale noastre de ytterb ar fi fost pornite la începutul universului, în acest moment, ele nu ar fi de acord între ele cu mai puțin de o secundă”, spune William McGrew, fizician la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST ), într-un e-mail.
Ceasul atomic de zăcământ ultra-stabil NIST. Atomii de yterbiu sunt generați într-un cuptor (cilindru metalic mare din stânga) și trimiși într-o cameră de vid din centrul fotografiei pentru a fi manipulați și sondați de lasere. Lumina cu laser este transportată la ceas de cinci fibre (cum ar fi fibra galbenă din centrul inferior al fotografiei). (James Burrus / NIST) Ceasurile de ytterbiu de la NIST, Yb-1 și Yb-2, sunt un tip unic de ceas atomic cunoscut sub numele de ceas de grilă optică. În esență, ceasurile folosesc radiații electromagnetice în frecvența optică sau lasere, pentru a prinde mii de atomi de ytterbiu și apoi determina electronii exteriori să treacă de la o stare energetică la sol și o stare de energie excitată. Față de cesiu, este necesară o frecvență mai mare de radiații electromagnetice pentru a provoca tranziția ytterbului.
Toate undele electromagnetice, de la undele radio la raze gamma și toată lumina vizibilă dintre ele sunt același tip de unde alcătuite din fotoni - diferența este pur și simplu că undele cu frecvențe mai înalte oscilează mai rapid. Microundele, care sunt utilizate pentru tranziția cesiumului, sunt întinse în lungimi de undă mai lungi și în frecvențe mai mici decât lumina vizibilă. Utilizarea atomilor care tranziția la frecvențe mai înalte este esențială pentru construirea unui ceas mai bun. În timp ce o secundă reprezintă în prezent aproximativ 9 miliarde de oscilații ale unui cuptor cu microunde, aceeași durată a timpului ar fi reprezentată de mai aproape de 500 de miliarde de oscilații ale unei unde de lumină vizibilă, sporind capacitatea oamenilor de știință de a măsura cu exactitate timpul.
Dacă laserul de măsurare pe un ceas de ytterbiu este format la frecvența exactă potrivită, atomii de ytterbium vor sări la starea de energie excitată. Acest lucru se întâmplă când laserul are o frecvență de exact 518, 295, 836, 590, 863, 6 Hertz - numărul de „căpușe” într-o secundă.
„Aceasta corespunde unei lungimi de undă de 578 nanometri, care pare galbenă pentru ochi”, spune McGrew.
Noile măsurători cu Yb-1 și Yb-2, conduse de echipa lui McGrew la NIST, au obținut noi recorduri în trei domenii cheie de precizie a măsurării, producând, în unele privințe, cele mai bune măsurători ale celei de-a doua realizate vreodată. Mai exact, ceasurile stabilesc noi înregistrări pentru incertitudine sistematică, stabilitate și reproductibilitate. Noile măsurători sunt detaliate într-o lucrare publicată astăzi în Nature .
Ceasurile optice cu ytterbiu sunt chiar mai precise în aceste aspecte decât ceasurile cu fântână de cesiu care sunt utilizate pentru a determina definiția unei secunde. Tehnologiile de ytterbium nu sunt din punct de vedere tehnic mai exacte decât ceasurile de cesiu, întrucât precizia este specifică cât de aproape este o măsurare de definiția oficială și nimic nu poate fi mai exact decât ceasurile de cesiu pe care se bazează definiția. Chiar și așa, metrica cheie aici este incertitudinea sistematică - o măsură a cât de strâns realizează ceasul oscilația naturală, neperturbată, naturală a atomilor de ytterbiu (frecvența exactă care le determină tranziția).
Noile măsurători corespund frecvenței naturale într-o eroare de 1, 4 părți în 10 18 sau aproximativ o miliardime dintr-o miliardime. Ceasurile de cesiu au obținut doar o incertitudine sistematică de aproximativ o parte din 10 16 . Așadar, comparativ cu ceasurile de cesiu, noile măsurători de ytterbiu „ar fi de 100 de ori mai bune”, spune Andrew Ludlow, fizician NIST și coautor al lucrării.
Provocarea cu aceste tipuri de măsurători este abordarea factorilor externi care pot afecta frecvența naturală a atomilor de ytterbiu - și, deoarece acestea sunt unele dintre cele mai sensibile măsurători realizate vreodată, fiecare efect fizic al universului este un factor. „Aproape orice la care am putea să ne gândim în mod arbitrar chiar acum are un efect asupra frecvenței de oscilație a atomului”, spune Ludlow.
Efectele externe care schimbă frecvența naturală a ceasurilor includ radiații ale persoanelor negre, gravitație, câmpuri electrice și ușoare coliziuni ale atomilor. „Ne petrecem mult timp încercând să parcurgem cu atenție și ... să înțelegem exact toate efectele care sunt relevante pentru încurcarea ratei de bifare a ceasului - acea frecvență de tranziție - și să mergem și să facem măsurători ale celor pe atomii reali pentru a le caracteriza și a ne ajuta să ne dăm seama cât de bine putem controla și măsura aceste efecte. ”
Pentru a reduce efectele acestor factori fizici naturali, atomii de ytterbiu, care apar în mod natural în unele minerale, sunt încălziți mai întâi la o stare gazoasă. Apoi, răcirea cu laser este utilizată pentru a reduce temperatura atomilor de la sute de grade kelvin la câteva mii de grade, și apoi a răcit în continuare la temperaturi de aproximativ 10 microkelvin, sau 10 milioane de grade peste zero absolut. Atomii sunt apoi încărcați într-o cameră de vid și într-un mediu de ecranare termică. Laserul de măsurare se trage prin atomi și se reflectă înapoi în sine, creând „zăbrele” care captează atomii în părți cu energie mare a unui val de lumină permanent, mai degrabă decât o undă de rulare, cum ar fi un indicator tipic laser.
Îmbunătățirea „stabilității” și „reproductibilității” măsurătorilor, pentru care și ceasurile de ytterb stabilesc și noi înregistrări, ajută la o mai mare cont pentru forțele exterioare care afectează ceasurile. Stabilitatea ceasurilor este în esență o măsură a frecvenței în care se schimbă frecvența în timp, care a fost măsurată pentru Yb-1 și Yb-2 la 3, 2 părți în 10 19 pe parcursul unei zile. Reproductibilitatea este o măsură a cât de apropiate sunt cele două ceasuri, iar prin 10 comparații, diferența de frecvență dintre Yb-1 și Yb-2 a fost determinată a fi mai mică de o miliardime de miliardime.
„Este crucial să aveți doi ceasuri”, spune McGrew. „Incertitudinea se caracterizează prin examinarea fiecărei schimbări care ar putea modifica frecvența de tranziție. Cu toate acestea, există întotdeauna posibilitatea unor „necunoscute”, schimburi care încă nu sunt înțelese. Având două sisteme, este posibil să vă verificați caracterizarea incertitudinii văzând dacă cele două sisteme independente sunt de acord între ele. "
O astfel de precizie în măsurarea timpului este deja folosită de oamenii de știință, dar aplicațiile practice ale măsurărilor îmbunătățite ale celei de-a doua includ progrese în navigație și comunicații. Deși nimeni nu l-ar fi putut cunoaște la vremea respectivă, lucrarea timpurie cu ceasuri atomice la mijlocul secolului XX ar permite, în final, sistemul de poziționare globală și fiecare industrie și tehnologie care se bazează pe el.
„Nu cred că aș putea prezice complet ce aplicații în 20 sau 50 de ani vor beneficia cel mai mult de acest lucru, dar pot spune că pe măsură ce mă uit înapoi în istorie, unele dintre cele mai profunde impacturi ale ceasurilor atomice nu sunt anticipate astăzi, ”Spune Ludlow.
Laserele galbene ale unuia dintre ceasurile de grilă optice cu ytterbiu NIST. (Nate Phillips / NIST) Ceasurile de ytterb ar putea fi, de asemenea, utilizate în cercetarea fizică avansată, cum ar fi modelarea câmpurilor gravitaționale și posibila detectare a materiei întunecate sau a undelor gravitaționale. În esență, ceasurile sunt atât de sensibile încât pot fi detectate orice interferențe datorate schimbării gravitației sau a altor forțe fizice. Dacă ați poziționat mai multe ceasuri de ytterbium în întreaga lume, puteți măsura modificările minime ale gravitației (care este mai puternică mai aproape de nivelul mării, precum și mai aproape de poli), permițând oamenilor de știință să măsoare forma câmpului gravitațional al Pământului cu mai multă precizie decât oricând inainte de. În mod similar, poate fi detectată o interacțiune cu particulele de materie întunecată, sau chiar valuri gravitaționale care afectează două ceasuri răspândite departe.
„Științific, folosim astăzi această uimitoare precizie pentru unele dintre aceste studii fundamentale de fizică - căutând materie întunecată, căutând variația constantelor fundamentale, căutând încălcări în unele teorii ale lui Einstein și alte lucruri. ... Dacă descoperim vreodată vreo încălcare [a legilor fizicii] folosind aceste instrumente incredibile de măsurare, acesta ar putea fi un schimbător de joc imens în înțelegerea universului nostru și, prin urmare, modul în care știința și tehnologia vor evolua de acolo înainte. "
În următorii 10 ani, este posibil ca instituțiile științifice de măsurare din lume să decidă redefinirea celui de-al doilea pe baza unui ceas optic, mai degrabă decât a unui ceas de cesiu. O astfel de redefinire este probabil inevitabilă, deoarece laserele optice funcționează la frecvențe mult mai mari decât microundele, crescând numărul de „căpușe” ale ceasului conținut într-o secundă. O măsurare de ceas de ytterbium ar fi un bun candidat pentru o nouă definiție, dar ceasurile de grilă optică folosind mercur și stronțiu au produs și rezultate promițătoare, iar ceasurile optice ionice, care suspendă și tranzitează un singur atom, prezintă o altă posibilitate intrigantă pentru o nouă definiție.
Aceste măsurători ale fenomenelor atomice sunt din ce în ce mai precise, iar acolo unde ne va lua înțelegerea în evoluție a timpului, este imposibil de știut.
