Proč Potřebujeme Super Přesné Atomové Hodiny?
(Inside Science) – přijímač GPS ve vašem autě nebo mobilním telefonu funguje tak, že poslouchá satelity vysílající jejich čas a polohu. Jakmile přijímač „získá“ čtyři satelity, může vypočítat svou vlastní polohu porovnáním signálů. Protože signály jsou vysílány pomocí mikrovln, které cestují rychlostí světla, se chybová miliontina sekundy na GPS satelitní hodiny mohl dát čtvrt míle z kurzu.
naštěstí atomové hodiny na satelitech GPS díky své neuvěřitelné stabilitě a pravidelné synchronizaci udržují chybu menší než 1 miliardtinu sekundy.
dnes nejlepší hodiny, na kterých vědci pracují, mohou být ještě lepší-podle některých opatření více než milionkrát lepší. Tyto absurdně dobré hodiny mohou umožnit nové aplikace tak nepředstavitelné jako kdysi GPS, od předpovídání zemětřesení až po objevování zcela nové fyziky.
ale ne všechny vysoce výkonné hodiny jsou si rovny-existuje řada návrhů a některé nejmodernější hodiny jsou vhodnější pro konkrétní aplikace než jiné. Abychom pochopili, proč-a pochopit výkon hodin obecněji-musíme nejprve pochopit dva základní pojmy ve statistice: přesnost a přesnost.
šipky a hodiny tikají
Představte si lukostřelce, který zastřelil deset šípů. V tomto scénáři, přesnost je měření pozic šipek vůči sobě navzájem a přesnost je měření jejich pozic vzhledem k terči. Přesný lukostřelec nemusí být nutně přesný a naopak.
Copyright Americký Institut Fyziky (tisk informací)
přesnost archer je analogický koncept nazvaný hodiny stabilitu. Pokud si člověk myslí o každé tiknutí hodin, jako výstřel a bít bullseye, jak udržet správný čas mezi každý tick, pak přesné, ale není přesné hodiny by důsledně zaškrtněte buď pomaleji, nebo rychleji, než je požadované množství času. Na druhé straně, přesnou, ale nepřesné hodiny by klíště někdy rychlejší a někdy pomalejší, ale nahromaděné chyby by v průměru poněkud více času.
„je Tam hodně aplikací, které pouze potřebují opravdu dobrou stabilitu, a pak existuje řada aplikací, kde stabilita není dost, a budete také potřebovat přesnost,“ řekl Andrew Ludlow, fyzik z Národního Institutu pro Standardy a Technologie v Boulderu, Colorado.
Telekomunikační a navigační systémy obecně vyžadují stabilní hodiny, ale nemusí být vysoce přesné, řekl. Na druhou stranu, atomové hodiny, které fyzici používají k definování druhé, musí být také opravdu přesné.
přírodní neostrost
v Současné době, stabilitu hodiny je obecně omezený tím, experimentální hang ups, jako jsou laserové technologie v optických hodiny. Ale řekněme, že se můžeme postavit hodiny bez technologických omezení, je stále základním nestability spojené s hodinami, vázáni zákony kvantové fyziky, dané rovnice.
Na levé straně, máme stabilitu, což je jednotka zdarma, stejně jako v σ hodnotu 0.1 by pro vaše měření znamenalo nejistotu deset procent. Tato stabilita je určena parametry na pravé straně, jak je popsáno níže.
- ω:“ tikající “ frekvence zdroje časomíry měřená v cyklech za sekundu nebo hertz (Hz). Pro cesium-133 atom, který vydává záření s 9,192,631,770 cyklů každou sekundu, počet by 9,192,631,770 Hz;
- N: počet „strážci času“, například celkový počet atomů cesia používán hodiny;
- t: doba cyklu, což je délka každého měření pro předem stanovený počet „klíšťat“ v závislosti na konstrukci hodin. Pokud jsou například hodiny navrženy tak, aby každou sekundu zaregistrovaly datový bod, pak t je jednoduše 1 sekunda.
- m: celkový počet měření během experimentu. Pokud je například délka experimentu minuta a hodiny registrují datový bod každou sekundu, pak m bude 60.
nyní si to vyzkoušíme s některými čísly. Pro hodiny, které udržuje čas pomocí měření kvantový jev, který se vyskytuje jeden tisíc bilionů krát každou sekundu, ω by 1015 Hz, a jestli se to počítá za jednu sekundu pokaždé, sondy pro jev, pak by se t 1 sekundu. Pro N můžeme předpokládat hodnotu 1000, a pro m můžeme použít 86,400, celkový počet sekund za den.
Pro den měření, stabilita související nejistota naše teoretické hodiny (1.71 x 10-20) x 86,400 s = 1.5 x 10-15 s nebo 1,5 femtosekund.
vzhledem k tomu, že tato přirozená rozmazanost hodin je přímo spojena s konstrukcí hodin, lze teoreticky neustále zlepšovat stabilitu tím, že jmenovatel je co největší. To lze provést výběrem opatření přirozený jev, který se vyskytuje v mimořádně vysoké a pravidelné frekvenci, což vede k větší ω, nebo pro měření více zdrojů současně, což vede k větší N.
Každá z těchto možností představuje svůj vlastní unikátní technologické výzvy, které někdy přinést vám v rozporu s ostatními ďábel v detailu — přesnost.
na Rozdíl od univerzální rovnice pro výpočet úrovni kvantového šumu diktovat hodiny stabilitu, hodiny, přesnost-nebo jinými slovy, jak blízko jeho tikající sazba odpovídá očekávání-může být ovlivněna nekonečný seznam interakcí s prostředím.
Co je špatného definování den… den?
druhý je v současné době definována jako doba trvání 9,192,631,770 period mikrovlnné záření z určitého přechodu elektronu plovoucí uvnitř cesia-133 atom při teplotě 0 K.
Co nemotorný definice, si můžete myslet. Jak to, že nemůžeme definovat, druhý více intuitivně, jako v jednom šedesáté minuty, což je jeden šedesáté hodiny, což je jedna dvacet čtvrtý den, který je definován jednu kompletní rotaci Země?
jak se může zdát pedantský, Délka dne na Zemi není dostatečně konzistentní pro moderní vědecké a technologické aplikace. Pokaždé, když dojde k zemětřesení, nebo meteorický úder, nebo dokonce nová přehrada, která se staví, Délka dne Země by se posunula o zlomek sekundy. Například, přílivová síla měsíce prodlužuje náš den o několik nanosekund každý den.
„elektrické a Magnetické pole, například, může znepokojovat tikot rychlost hodiny, ale účinek závisí na detaily hodiny,“ řekl Ludlow. „Můžeme přijít s modely, abychom se pokusili pochopit, jak ovlivňují hodiny, ale v žádném případě nejsou univerzální.“
příval vnější faktory, které mohou, aby super citlivý hodiny drift rychlejší nebo pomalejší v průběhu času se může na první pohled zdát jako obtíž. Ale pokud dokážeme tyto efekty dostatečně dobře pochopit, ve skutečnosti drží klíč k úplně novým světům aplikací.
Jeden muž je nepřesné hodiny, je jiného muže poklad
Cestování na zhruba 8,700 mph přes naše nebe, GPS satelity dost rychle Einsteinova teorie speciální relativity mít znatelný vliv na jejich hodiny, zpomalí je o 7 mikrosekund každý den.
Nicméně, protože oni cestují v nadmořské výšce více než 12 000 kilometrů, nižší gravitace zažívají satelity GPS také způsobit, že hodiny na rychlost až 45 mikrosekund každý den, jak předpovídal, uhodli jste, Einstein znovu. Tentokrát jeho teorií obecné relativity.
hle a hle, ve srovnání s hodinami na Zemi se hodiny na palubě satelitů GPS skutečně zrychlují o (45-7) = 38 mikrosekund. Každý. Jediný. Dno.
Protože tyto hodiny jsou dost dobré pro nás, aby zvážila účinky vnějších faktorů, jako je změna gravitace, můžeme je použít k měření těchto účinků — stejně jako, jak profesionální střelci mohou říct, který způsob, jak foukal vítr a při pohledu na to, kde jejich šípy přistál.
například, síť super stabilní hodiny by měl být schopen detekovat gravitační vlny při frekvencích nepřístupné pro laserové interferometry, v současné době jediný přístroj dostatečně citlivý, aby tyto drobné vlnky skrze časoprostor. Hodiny se stabilitou 10-20 by mohly dát plánovaným vesmírným gravitačním detektorům běh za své peníze. Vysoce výkonné hodiny mohou být také schopny vnímat drobné gravitační změny hluboko pod zemí, které signalizují podmínky zralé pro zemětřesení nebo sopečnou erupci.
vědci již používají tyto super stabilní a přesné hodiny k hledání zcela nové fyziky. Například, testují, zda jsou základní konstanty skutečně konstantní, a poskytují nové cesty k prozkoumání desítky let trvající hádanky temné hmoty a temné energie.
poznámka Editora (12. září 2019): Tento příběh byl upraven tak, aby správné umístění NIST kanceláře, kde Andrew Ludlow funguje.