S-a săturat de ceasurile de mână pierzând timpul pe măsură ce trec anii? Un nou ceas atomic, care este cel mai precis vreodată, folosește atomi și lasere de ytterbiu pentru a defini cu precizie o secundă. Imagine prin intermediul utilizatorului Flickr Earls37a
Dacă ceasul de la încheietura mâinii ar fi încetinit cu cinci minute pe parcursul unui an, probabil că nu te-ai gândi la nimic. Însă oamenii de știință și inginerii se bazează pe ceasuri atomice ultra-precise pentru o serie de aplicații, iar căutarea unor ceasuri din ce în ce mai exacte a continuat de milenii.
Acum, un grup de cercetători condus de Andrew Ludlow de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie a pus bară mai sus ca niciodată. Cel mai nou ceas atomic, dezvăluit ieri, se anticipează a fi inexact cu o sumă de 1, 6 secunde de timp după ce a alergat timp de 10 18 secunde - sau, cu alte cuvinte, pierde o secundă completă pe parcursul a aproximativ 50, 8 miliarde de ani. .
În lucrarea care descrie ceasul lor, cercetătorii au furnizat o pereche de analogii pentru acest nivel de precizie: „echivalează cu specificarea vârstei universului cunoscut la o precizie mai mică de o secundă”, au scris ei, „sau diametrul Pământului la mai puțin decât lățimea unui atom. ”
Ca toate ceasurile, ceasurile atomice păstrează timpul consecvent bazându-se pe durata unei secunde dintr-un eveniment fizic care se întâmplă cu regularitate. În timp ce ceasurile mecanice folosesc balansarea unui pendul pentru a menține timpul, ceasurile atomice folosesc un mecanism care se întâmplă cu și mai multă regularitate: frecvența specifică a luminii necesare pentru a determina un atom să fluctueze între două stări energetice (în special, să plece dintr-o stare de sol într-o stare excitată), care este întotdeauna o valoare uniformă. De exemplu, standardul internațional actual care definește durata unei secunde este de 9.192.631.770 de cicluri din cantitatea de radiații cu microunde care determină ca atomii de cesiu să fluctueze între cele două stări energetice și în acest proces emit cea mai mare lumină posibilă.
Totuși, câțiva factori pot denatura chiar și cele mai atente măsurători ale acestei frecvențe. Ceea ce au făcut cercetătorii din spatele acestui nou ceas este să creeze un design inovator (folosind un element diferit) care să minimizeze aceste distorsiuni mai mult decât orice ceas înainte.
Proiectarea lor, numită „ceas de grilă optică”, captează atomii de ytterbiu în interiorul unei cutii cu raze laser. Ținute la locul lor, atomii sunt bombardați de un al doilea tip de laser, care își forțează electronii să urce în nivelul energetic. Un senzor verifică pentru a vă asigura că toți atomii ating nivelul energetic mai ridicat și frecvența de lumină precisă necesară pentru a-i impune în acest sens este apoi transformată în lungimea exactă de o secundă.
În mod normal, orice mișcare fizică ușoară a atomilor, în timp ce sunt bombardați, poate duce la schimbări subtile ale frecvenței luminii necesare pentru a ridica nivelul lor de energie (rezultat al schimbării Doppler), aruncând exactitatea ceasului. Însă, așa cum este descris în MIT Technology Review, unde a fost publicată prima dată știrile ceasului, cutia de fascicule laser „ține atomii într-o prindere asemănătoare viciului, care reduce la minimum orice efecte Doppler”. În plus, zăbrele prinde un număr relativ mare. de atomi (între 1.000 și 1.000.000) comparativ cu majoritatea ceasurilor atomice, astfel încât media cantității de radiații necesare pentru a ridica fiecare dintre acestea la un nivel mai ridicat de energie oferă o valoare mai exactă a frecvenței precise a radiației, care este apoi utilizată pentru a seta timpul.
Comparând două astfel de ceasuri, autorii au descoperit ceva remarcabil - fiecare „bifă” măsoară intervale de timp atât de perfect încât un ceas nu va rămâne decât în urmă cu adevărat timp cu o zecime de secundă când Soarele nostru învelește Pământul în timp ce evoluează într-un roșu uriaș de aproximativ 5 miliarde de ani de acum.
Acest nou ceas - și rafinarea treptată a ceasurilor atomice în ansamblu - ar putea părea o cercetare pur academică, dar în realitate există o mulțime de aplicații foarte utile ale tehnologiei. Luați, de exemplu, aplicația „hărți” de pe telefon. Fără posibilitatea de a sincroniza strâns ceasurile pe distanțe mari, sistemul GPS nu ar fi capabil să funcționeze, deoarece se bazează pe comparația exactă a timpului în care durează semnalele pentru a călători de la mai mulți sateliți diferiți la dispozitivul dvs. GPS.
Cercetările viitoare care ar putea folosi acest nou avans în tehnologia ceasului atomic s-ar putea încadra în știința geodeziei, care încearcă să măsoare cu precizie mici schimbări în forma Pământului și în câmpul său gravitațional în timp. Toate ceasurile bifează la viteze infinit de mai lente la nivelul mării decât la o înălțime de o milă, deoarece forța gravitației este mai puternică atunci când este mai aproape de Pământ. În prezent, cu cele mai sofisticate ceasuri atomice, această diferență de viteză poate fi măsurată doar atunci când altitudinea se schimbă cu mii de metri, dar cu noul ceas, acestea vor fi detectabile atunci când ceasul este ridicat sau coborât cu un simplu centimetru, făcând sistemul potențial util pentru măsurarea unor modificări ușoare în grosimea gheții glaciare sau înălțimea obținută de lanțurile montane de-a lungul timpului, pe măsură ce plăcile tectonice se ciocnesc.
