Miksi Tarvitsemme Supertarkkoja Atomikelloja?
(Inside Science) — autossa tai kännykässä oleva GPS-vastaanotin toimii kuuntelemalla satelliitteja, jotka lähettävät niiden ajan ja sijainnin. Kun vastaanotin on ”hankkinut” neljä satelliittia, se voi laskea oman sijaintinsa vertaamalla signaaleja. Koska signaalit lähetetään valonnopeudella kulkevilla mikroaalloilla, sekunnin miljoonasosan virhe GPS-satelliittikellossa voi viedä sinut neljännesmailin pois kurssista.
onneksi GPS-satelliittien atomikellot ylläpitävät uskomattoman stabiiliutensa ja säännöllisen synkronointinsa vuoksi alle sekunnin miljardisosan virhettä.
nykyään parhaat kellot, joita tutkijat työstävät, pystyvät vielä parempaan — yli miljoona kertaa parempaan joillakin mittareilla. Nämä järjettömän hyvä kellot voivat mahdollistaa uusia sovelluksia niin käsittämätön kuin GPS kerran oli, vaihtelevat ennustaminen maanjäristyksiä löytää kokonaan uusi fysiikka.
kaikki suorituskykyiset kellot eivät kuitenkaan ole samanarvoisia-malleja on monenlaisia, ja jotkut huipputekniset kellot soveltuvat tiettyihin sovelluksiin paremmin kuin toiset. Ymmärtääksemme miksi — ja ymmärtääksemme kellon suorituskykyä yleisemmin — meidän on ensin ymmärrettävä kaksi tilastotieteen peruskäsitettä: tarkkuus ja tarkkuus.
nuolet ja kellon tikit
Kuvittele jousiampuja, joka on ampunut kymmenen nuolta. Tässä skenaariossa tarkkuus on nuolien sijaintien mittaamista suhteessa toisiinsa ja tarkkuus on niiden sijaintien mittaamista suhteessa napakymppiin. Tarkka jousiampuja ei välttämättä ole tarkka, ja päinvastoin.
Copyright American Institute of Physics (reprinting information)
jousimiehen tarkkuus on analoginen käsitteelle, jota kutsutaan kellovakavuudeksi. Jos ajatellaan, että jokainen kellon tikitys on laukaus ja osuminen napakymppiin pitää täsmälleen oikean ajan jokaisen rastin välillä, niin tarkka mutta ei tarkka kello tikittäisi jatkuvasti joko hitaammin tai nopeammin kuin haluttu määrä aikaa. Toisaalta tarkka mutta epätarkka kello tikittäisi välillä nopeammin ja välillä hitaammin, mutta kertyneet virheet vähenisivät jonkin verran ajan myötä.
”on paljon sovelluksia, jotka tarvitsevat vain todella hyvää vakautta, ja sitten on joukko sovelluksia, joissa pelkkä vakaus ei riitä, ja tarvitaan myös tarkkuutta”, sanoi Andrew Ludlow, fyysikko National Institute of Standards and Technologysta Boulderista Coloradosta.
tietoliikenne-ja navigointijärjestelmät vaativat yleensä vakaita kelloja, mutta niiden ei tarvitse olla kovin tarkkoja, hän sanoi. Toisaalta myös atomikellojen, joita fyysikot käyttävät toisen määrittelemiseen, täytyy olla todella tarkkoja.
luonnollinen pörröisyys
nykyisin kellojen vakautta rajoittavat yleensä kokeelliset ripustukset, kuten optisten kellojen lasertekniikat. Mutta oletetaan, että voimme rakentaa kellon ilman teknologisia rajoituksia, on edelleen olemassa perustavanlaatuinen epävakaus liittyy kelloon, sitoo lakeja kvanttifysiikan, annetaan tämän yhtälön.
vasemmalla puolella on stabiilisuus, joka on yksikkövapaa, kuten σ-arvossa 0.1 merkitsisi mittauksellesi kymmenen prosentin epävarmuutta. Tämän vakauden määrittävät oikeanpuoleiset parametrit alla kuvatulla tavalla.
- ω: ajanottolähteen ”tikittävä” taajuus mitattuna sykleinä sekunnissa eli hertseinä (Hz). Jos cesium-133-atomi antaa säteilyä 9,192,631,770 sykliä joka sekunti, luku olisi 9,192,631,770 Hz;
- N: ”ajanottajien” lukumäärä, esimerkiksi kellon käyttämien cesiumatomien kokonaismäärä;
- t: syklin aika, joka on kunkin mittauksen pituus ennalta määrätylle määrälle ”punkkeja” kellon rakenteesta riippuen. Jos esimerkiksi kello on suunniteltu rekisteröimään datapiste joka sekunti, niin t on yksinkertaisesti 1 sekunti.
- m: kokeen aikana tehtyjen mittausten kokonaismäärä. Jos esimerkiksi kokeen pituus on minuutti ja kello rekisteröi datapisteen joka sekunti, m on 60.
nyt kokeillaan tätä muutamalla numerolla. Kellossa, joka pitää ajan mittaamalla tuhat biljoonaa kertaa joka sekunti esiintyvän kvantti-ilmiön, ω olisi 1015 Hz, ja jos se laskee yhden sekunnin joka kerta, kun se luotaa ilmiötä, niin t olisi 1 sekunti. N voimme olettaa arvo 1000, ja m Voimme käyttää 86400, kokonaismäärä sekuntia päivässä.
vuorokauden mittaisessa mittauksessa teoreettisen kellomme stabiilisuuteen liittyvä epävarmuus olisi (1,71 x 10-20) x 86,400 s = 1.5 x 10-15 sekuntia eli 1,5 femtosekuntia.
koska tämä kellon luonnollinen pörröisyys liittyy suoraan kellon rakenteeseen, voidaan teoriassa jatkaa stabiilisuuden parantamista tekemällä nimittäjästä mahdollisimman suuri. Tämä voidaan tehdä valitsemalla mittaamaan luonnonilmiö, joka tapahtuu erittäin korkealla ja säännöllisellä taajuudella, mikä johtaa suurempaan ω: aan, tai mittaamaan useampia lähteitä samanaikaisesti, mikä johtaa suurempaan n: ään.
jokainen näistä valinnoista asettaa omat ainutlaatuiset teknologiset haasteensa, jotka joskus asettavat vastakkain toisen paholaisen kanssa yksityiskohdissa-tarkkuudessa.
toisin kuin universaaliyhtälö, jolla lasketaan kvanttiäänen taso, joka sanelee kellon vakauden, kellon tarkkuuteen — tai toisin sanoen siihen, kuinka lähellä sen tikitysnopeus vastaa odotuksia — voi vaikuttaa loputon luettelo vuorovaikutuksista sen ympäristön kanssa.
mitä vikaa on määritellä päivä… päiväksi?
sekunti on tällä hetkellä määritelty 9 192 631 770 jakson pituiseksi jaksoksi mikroaaltosäteilylle, joka on peräisin cesium-133-atomin sisällä leijuvan elektronin erityisestä siirtymästä 0 K: n lämpötilassa.
miten kömpelö määritelmä, saatat ajatella. Miksi emme voi määritellä toinen enemmän intuitiivisesti, kuten yksi kuudeskymmenesosa minuutti, joka on yksi kuudeskymmenesosa tunti, joka on yksi kahdeskymmenesosa päivässä, joka on määritelty yksi täydellinen kierto maapallon?
niin pedanttiselta kuin se tuntuukin, päivän pituus maapallolla ei ole tarpeeksi johdonmukainen nykyajan tieteellisiin ja teknologisiin sovelluksiin. Joka kerta, kun maanjäristys, meteoriittien isku tai jopa Uusi pato rakennetaan, maan päivän pituus muuttuisi sekunnin murto-osalla. Esimerkiksi Kuun vuorovesivoima pidentää päiväämme muutaman nanosekunnin joka päivä.
”esimerkiksi magneettikentät ja sähkökentät voivat häiritä kellon tikitystä, mutta vaikutus riippuu kellon yksityiskohdista”, Ludlow sanoi. ”Voimme keksiä malleja, joilla yritämme ymmärtää, miten ne vaikuttavat kelloihin, mutta ne eivät ole mitenkään yleismaailmallisia.”
ulkoisten tekijöiden ristituli, joka voi saada superherkän kellon ajelehtimaan nopeammin tai hitaammin ajan kuluessa, voi ensisilmäyksellä tuntua riesalta. Mutta jos voimme ymmärtää nämä vaikutukset tarpeeksi hyvin, ne todella hallussaan avain kokonaan uusia maailmoja sovelluksia.
yhden ihmisen epätarkka kello on toisen ihmisen aarre
kulkiessaan noin 8 700 mph taivaalla GPS-satelliitit liikkuvat tarpeeksi nopeasti, jotta Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria voi vaikuttaa niiden kelloihin huomattavalla tavalla hidastaen niitä 7 mikrosekunnilla joka päivä.
koska ne kulkevat yli 12 000 mailin korkeudessa, GPS-satelliittien kokema pienempi painovoima saa myös kellot kiihtymään 45 mikrosekuntia joka päivä, kuten ennusti, arvasit oikein, Einstein jälleen. Tällä kertaa yleisen suhteellisuusteorian avulla.
Lo and behavior, verrattuna maan kelloihin GPS – satelliittien kellot todellakin nopeutuvat (45-7) = 38 mikrosekuntia. Jokainen. Yksittäinen. Päivä.
koska nämä kellot ovat riittävän hyviä, jotta voimme tarkastella ulkoisten tekijöiden, kuten painovoiman muutoksen vaikutuksia, voimme käyttää niitä näiden vaikutusten mittaamiseen-aivan kuten miten ammattijousiampujat voivat päätellä, mihin suuntaan tuuli puhalsi katsomalla, mihin heidän nuolensa laskeutuivat.
esimerkiksi supervakaiden kellojen verkoston pitäisi kyetä havaitsemaan gravitaatioaaltoja taajuuksilla, joihin laserinterferometrit eivät pääse, mikä on tällä hetkellä ainoa laite, joka on riittävän herkkä näille aika-avaruuden pikkuruisille väreilyille. Kello, jonka stabiilisuus on 10-20, voisi antaa suunnitelluille avaruuteen perustuville gravitaatioilmaisimille kyytiä rahoilleen. Suorituskykyinen kello voi myös aistia pieniä painovoimamuutoksia syvällä maan alla, jotka viestivät olosuhteista, jotka ovat kypsiä maanjäristykselle tai tulivuorenpurkaukselle.
tutkijat käyttävät jo näitä supervakaita ja tarkkoja kelloja täysin uuden fysiikan etsimiseen. He esimerkiksi testaavat, ovatko perusvakiot todella vakioita, ja tarjoavat uusia väyliä pimeän aineen ja pimeän energian vuosikymmeniä kestäneen arvoituksen tutkimiseen.
toimittajan huomautus (12.9.2019): tätä juttua on muokattu korjaamaan NIST-toimiston sijainti, jossa Andrew Ludlow työskentelee.