Hvorfor Har Vi Brug For Super Nøjagtige Atomure?
(Inside Science) – GPS-modtageren i din bil eller mobiltelefon fungerer ved at lytte til satellitter, der sender deres tid og placering. Når modtageren har “erhvervet” fire satellitter, kan den beregne sin egen position ved at sammenligne signalerne. Da signalerne udsendes ved hjælp af mikrobølger, der kører med lysets hastighed, kan en fejl på en milliontedel af et sekund på et GPS-satellitur sætte dig en kvart mile ud af kurs.
heldigvis opretholder atomklokkerne på GPS-satellitter på grund af deres utrolige stabilitet og regelmæssige synkronisering en fejl på mindre end 1 milliarddel af et sekund.
i dag kan de bedste ure, som forskere arbejder på, gøre endnu bedre-mere end en million gange bedre ved nogle foranstaltninger. Disse absurd gode ure kan muliggøre nye applikationer så utænkelige som GPS engang var, lige fra at forudsige jordskælv til at opdage helt ny fysik.
men ikke alle højtydende ure er ens-der er en række designs, og nogle state-of-the-art ure er bedre egnet til bestemte applikationer end andre. For at forstå hvorfor-og for at forstå et Urs ydeevne mere generelt-skal vi først forstå to grundlæggende begreber i statistikker: præcision og nøjagtighed.
pile og ur flåter
Forestil dig en bueskytte, der har skudt ti pile. I dette scenarie er præcision en måling af pilenes positioner i forhold til hinanden, og nøjagtighed er en måling af deres positioner i forhold til bullseye. En præcis bueskytte er ikke nødvendigvis en nøjagtig, og omvendt.
atomur gif Copyright American Institute of Physics (reprinting information)
præcisionen af en bueskytte er analog med et koncept kaldet urstabilitet. Hvis man tænker på hvert kryds af uret som et skud og rammer bullseye som at holde den nøjagtige rigtige tid mellem hvert kryds, så vil et præcist, men ikke nøjagtigt ur konsekvent krydse enten langsommere eller hurtigere end den ønskede tid. På den anden side ville et nøjagtigt, men upræcist ur krydse nogle gange hurtigere og nogle gange langsommere, men de akkumulerede fejl ville gennemsnitligt ud over tid.”der er mange applikationer, der kun har brug for rigtig god stabilitet, og så er der en række applikationer, hvor bare stabilitet ikke er nok, og du har også brug for nøjagtighed,” sagde fysiker fra National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado.telekommunikation og navigationssystemer kræver generelt stabile ure, men de behøver ikke at være meget præcise, sagde han. På den anden side skal atomure, som fysikere bruger til at definere et andet, også være rigtig nøjagtige.
en naturlig uklarhed
i øjeblikket er stabiliteten af ure generelt begrænset af eksperimentelle hang ups, såsom laserteknologier i optiske ure. Men lad os sige, at vi kan bygge et ur uden teknologiske begrænsninger, der vil stadig være en grundlæggende ustabilitet forbundet med uret, bundet af kvantefysikens love, givet af denne ligning.
på venstre side har vi stabiliteten, som er enhedsfri, som i en kur-værdi på 0.1 ville betyde en usikkerhed på ti procent for din måling. Denne stabilitet bestemmes af parametrene på højre side som beskrevet nedenfor.
- Kris: den” tikkende ” frekvens af tidtagningskilden målt i cyklusser pr. For et cæsium-133-atom, der udsender stråling med 9.192.631.770 cyklusser hvert sekund, ville antallet være 9.192.631.770 gange;
- N: antallet af “tidtagere”, for eksempel det samlede antal cæsiumatomer, der bruges af uret;
- t: cyklustiden, som er længden af hver måling for et forudbestemt antal “flåter” afhængigt af urets design. For eksempel, hvis et ur er designet til at registrere et datapunkt hvert sekund, er t simpelthen 1 sekund.
- m: det samlede antal målinger under eksperimentet. For eksempel, hvis eksperimentets længde er et minut, og uret registrerer et datapunkt hvert sekund, vil m være 60.
lad os nu teste dette med nogle tal. For et ur, der holder tid ved at måle et kvantefænomen, der forekommer tusind billioner gange hvert sekund, ville kursen være 1015 HS, og hvis det tæller i et sekund hver gang det prober for fænomenet, ville t være 1 sekund. For N kan vi antage værdien af 1.000, og for m kan vi bruge 86.400, det samlede antal sekunder på en dag.
for en dag lang måling ville den stabilitetsrelaterede usikkerhed af vores teoretiske ur være (1,71 gange 10-20) 86.400 s = 1.5 gange 10-15 sekunder eller 1,5 femtosekunder.
da denne naturlige uklarhed af uret er direkte knyttet til urets design, kan man i teorien fortsætte med at forbedre stabiliteten ved at gøre nævneren så stor som muligt. Dette kan gøres ved at vælge at måle et naturfænomen, der forekommer med en superhøj og regelmæssig frekvens, hvilket fører til en større kur, eller at måle flere kilder samtidigt, hvilket fører til en større N.
hvert af disse valg præsenterer sine egne unikke teknologiske udfordringer, som nogle gange bringer dig i strid med den anden djævel i detaljen-nøjagtighed.
I modsætning til den universelle ligning til beregning af niveauet af kvantestøj, der dikterer et Urs stabilitet, kan et Urs nøjagtighed-eller med andre ord hvor tæt dets tikkende hastighed matcher forventningerne-påvirkes af en endeløs liste over interaktioner med dets miljø.
Hvad er der galt med at definere en dag som… en dag?
et sekund er i øjeblikket defineret som varigheden af 9.192.631.770 perioder af mikrobølgestrålingen fra en specifik overgang af en elektron, der flyder inde i et cæsium-133-atom ved en temperatur på 0 K.
hvilken klodset definition, tror du måske. Hvorfor kan vi ikke definere det andet mere intuitivt, som i et tresindstyvende minut, hvilket er en tresindstyvende time, hvilket er en fireogtyvende dag, som er defineret ved en fuldstændig rotation af jorden?
så pedantisk som det kan synes, er længden af en dag på jorden ikke konsistent nok til moderne videnskabelige og teknologiske anvendelser. Hver gang der er et jordskælv eller en meteorstrejke eller endda en ny dæmning, der bygges, vil længden af en jorddag skifte med en brøkdel af et sekund. For eksempel forlænger Månens tidevandskraft vores dag et par nanosekunder hver dag.
“magnetfelter og elektriske felter kan for eksempel forstyrre urets tikkende hastighed, men effekten afhænger af urets detaljer,” sagde Ludlav. “Vi kan komme med modeller for at forsøge at forstå, hvordan de påvirker urene, men de er ikke universelle på nogen måde.”
spærringen af eksterne faktorer, der kan få et superfølsomt ur til at glide hurtigere eller langsommere over tid, kan ved første øjekast virke som en gener. Men hvis vi kan forstå disse effekter godt nok, de faktisk holde nøglen til helt nye verdener af applikationer.
en mands unøjagtige ur er en anden mands skat
når man rejser omkring 8.700 mph over vores himmel, bevæger GPS-satellitter sig hurtigt nok til, at Einsteins teori om særlig relativitet kan have en mærkbar effekt på deres Ure og bremse dem med 7 mikrosekunder hver dag.
men fordi de rejser i en højde på mere end 12.000 miles, får den lavere tyngdekraft, som GPS-satellitter oplever, også urene til at fremskynde 45 mikrosekunder hver dag, som forudsagt af, du gættede det, Einstein igen. Denne gang ved hans teori om generel relativitet.
Lo og se, sammenlignet med ure på jorden, går urene ombord på GPS – satellitter faktisk hurtigere med (45-7) = 38 mikrosekunder. Hver. Enkelt. Dag.
da disse ure er gode nok til, at vi kan overveje virkningerne af eksterne faktorer som en ændring i tyngdekraften, kan vi bruge dem til at måle disse effekter-ligesom hvordan professionelle bueskytter kan fortælle, hvilken vej vinden blæste ved at se på, hvor deres pile landede.
for eksempel skal et netværk af superstabile ure være i stand til at detektere gravitationsbølger ved frekvenser, der er utilgængelige for laserinterferometre, i øjeblikket det eneste instrument, der er følsomt nok til disse små krusninger gennem rumtiden. Et ur med en stabilitet på 10-20 ville være i stand til at give de planlagte rumbaserede gravitationsdetektorer et løb for deres penge. Et højtydende ur kan også være i stand til at mærke små gravitationsændringer dybt under jorden, der signalerer forhold, der er modne til et jordskælv eller vulkanudbrud.
forskere bruger allerede disse super stabile og præcise ure til at søge efter helt ny fysik. For eksempel tester de, om grundlæggende konstanter faktisk er konstante, og giver nye veje til at undersøge det årtier lange puslespil af mørkt stof og mørk energi.Redaktørens note (12. September 2019): denne historie er redigeret for at rette placeringen af NIST-kontoret, hvor Andreas Ludlav arbejder.