Miért Van Szükségünk Szuper Pontos Atomórákra?
(Inside Science) – az autóban vagy a mobiltelefonban lévő GPS-vevő úgy működik, hogy hallgatja az idejét és helyét sugárzó műholdakat. Miután a vevő négy műholdat “megszerzett”, kiszámíthatja saját helyzetét a jelek összehasonlításával. Mivel a jeleket fénysebességgel haladó mikrohullámokkal sugározzák, egy másodperc milliomod hibája a GPS műholdas óráján negyed mérföldet tehet le a pályáról.
szerencsére a GPS műholdak atomórái hihetetlen stabilitásuk és rendszeres szinkronizációjuk miatt kevesebb mint 1 milliárdod másodperces hibát követnek el.
ma a legjobb órák, amelyeken a tudósok dolgoznak, még jobban képesek-néhány méréssel több mint egymilliószor jobbak. Ezek az abszurdul jó órák olyan elképzelhetetlen új alkalmazásokat tesznek lehetővé, mint a GPS egykor, kezdve a földrengések előrejelzésétől a teljesen új fizika felfedezéséig.
még nem minden nagy teljesítményű órák egyenlő-van egy sor tervez, és néhány state-of-the-art órák jobban megfelelnek bizonyos alkalmazások, mint mások. Ahhoz, hogy megértsük , miért-és hogy egy óra teljesítményét általánosabban megértsük-először meg kell értenünk a statisztika két alapfogalmát: a pontosságot és a pontosságot.
nyilak és órajelek
képzelj el egy íjászt, aki tíz nyilat lőtt. Ebben a forgatókönyvben a pontosság a nyilak egymáshoz viszonyított helyzetének mérése, a pontosság pedig a telitalálathoz viszonyított helyzetük mérése. A pontos íjász nem feltétlenül pontos, és fordítva.
szerzői jog Amerikai Fizikai Intézet (újranyomtatási információk)
az íjász pontossága Analóg az óra stabilitásának nevezett koncepcióval. Ha valaki úgy gondolja, hogy az óra minden egyes kullancsa lövés, és a telitalálat megütése a pontos idő megtartása minden kullancs között, akkor egy pontos, de nem pontos óra következetesen lassabban vagy gyorsabban ketyeg, mint a kívánt idő. Másrészt egy pontos, de pontatlan óra néha gyorsabban, néha lassabban ketyegne, de a felhalmozott hibák idővel kissé átlagolódnának.”nagyon sok olyan alkalmazás létezik, amelyeknek csak nagyon jó stabilitásra van szükségük, és vannak olyan alkalmazások, ahol a stabilitás nem elég, és pontosságra is szükség van” – mondta Andrew Ludlow, a Colorado-i Boulder-i Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet fizikusa.
a távközlési és navigációs rendszerek általában stabil órákat igényelnek, de nem kell, hogy nagyon pontosak legyenek-mondta. Másrészt az atomóráknak, amelyeket a fizikusok a második meghatározásához használnak, valóban pontosnak kell lenniük.
természetes fuzziness
jelenleg az órák stabilitását általában kísérleti felfüggesztések korlátozzák, például az optikai órák lézeres technológiái. De tegyük fel, hogy technológiai korlátoktól mentesen építhetünk egy órát, még mindig lesz egy alapvető instabilitás az órával kapcsolatban, amelyet a kvantumfizika törvényei kötnek, amelyet ez az egyenlet ad.
a bal oldalon van a stabilitás, amely egységmentes, mint egy 0-os 0-os értéknél.Az 1 tíz százalékos bizonytalanságot jelentene a méréshez. Ezt a stabilitást a jobb oldali paraméterek határozzák meg, az alábbiakban leírtak szerint.
- ): az időmérő forrás” ketyegő ” frekvenciája ciklus / másodpercben, vagy hertz (Hz). Egy cézium-133 atom esetében, amely másodpercenként 9 192 631 770 ciklusú sugárzást bocsát ki, a szám 9 192 631 770 Hz lenne;
- N: az “időmérők” száma, például az óra által használt cézium atomok száma;
- t: a ciklusidő, amely az egyes mérések hossza egy előre meghatározott számú “kullancsra”, az óra kialakításától függően. Például, ha egy órát úgy terveztek, hogy másodpercenként regisztráljon egy adatpontot, akkor t egyszerűen 1 másodperc.
- m: a kísérlet során végzett mérések teljes száma. Például, ha a kísérlet hossza egy perc, és az óra másodpercenként regisztrál egy adatpontot, akkor m 60 lesz.
most próbáljuk ki ezt néhány számmal. Egy olyan óra esetében, amely egy másodpercenként ezer billiószor előforduló kvantumjelenség mérésével tartja az időt, a ++ 1015 Hz lenne, és ha egy másodpercig számít minden alkalommal, amikor megvizsgálja a jelenséget, akkor t 1 másodperc lenne. N esetében feltételezhetjük az 1000 értéket, m esetében pedig 86 400-at, a másodpercek teljes számát egy nap alatt.
egy napos mérésnél az elméleti óránk stabilitással kapcsolatos bizonytalansága (1,71 x 10-20) x 86,400 s = 1.5 x 10-15 s vagy 1,5 femtoszekundum.
mivel az óra természetes homályossága közvetlenül kapcsolódik az óra kialakításához, elméletileg tovább javítható a stabilitás azáltal, hogy a nevezőt a lehető legnagyobbra teszi. Ezt úgy tehetjük meg, hogy olyan természeti jelenséget mérünk, amely szuper magas és szabályos frekvencián fordul elő, ami nagyobb cetlinhez vezet, vagy több forrást mérünk egyszerre, ami nagyobb N-hez vezet.
mindegyik választás saját egyedi technológiai kihívással jár, amelyek néha ellentmondanak a másik ördögnek a részletekben-a pontosságban.
Az óra stabilitását diktáló kvantumzaj szintjének kiszámítására szolgáló univerzális egyenlettől eltérően az óra pontosságát-vagy más szavakkal, hogy a ketyegési sebesség milyen közel áll az elvárásokhoz-befolyásolhatja a környezettel való kölcsönhatások végtelen listája.
mi a baj azzal, ha egy napot… napként határozunk meg?
a másodperc jelenleg a mikrohullámú sugárzás 9,192,631,770 periódusának időtartama a cézium-133 atom belsejében 0 K hőmérsékleten lebegő elektron specifikus átmenetéből. Miért nem tudjuk intuitívabban meghatározni a másodikat, mint egy perc hatvanadik, ami egy óra hatvanadik, ami egy nap huszonnegyedik része, amelyet a Föld egyetlen teljes forgása határoz meg?
bármennyire is pedánsnak tűnik, a földi nap hossza nem elég következetes a mai tudományos és technológiai alkalmazásokhoz. Minden alkalommal, amikor földrengés vagy meteorbecsapás történik, vagy akár egy új gát épül, a Föld napjának hossza a másodperc töredékével eltolódik. Például a Hold árapályereje minden nap néhány nanoszekundummal meghosszabbítja a napunkat.
“például a mágneses mezők és az elektromos mezők megzavarhatják az óra ketyegési sebességét, de a hatás az óra részleteitől függ” – mondta Ludlow. “Előállhatunk olyan modellekkel, amelyek megpróbálják megérteni, hogyan hatnak az órákra, de semmiképpen sem univerzálisak.”
a külső tényezők gátja, amelyek a szuper érzékeny órát gyorsabban vagy lassabban sodrhatják az idő múlásával, első pillantásra kellemetlennek tűnhet. De ha elég jól megértjük ezeket a hatásokat, valójában az alkalmazások teljesen új világainak kulcsa.
egy ember pontatlan órája egy másik ember kincse
körülbelül 8700 km / h sebességgel haladva az égbolton, a GPS-műholdak elég gyorsan mozognak ahhoz, hogy Einstein speciális relativitáselmélete észrevehető hatást gyakoroljon az órájukra, napi 7 mikroszekundummal lelassítva őket.
mivel azonban több mint 12 000 mérföld magasságban haladnak, a GPS-műholdak által tapasztalt alacsonyabb gravitáció miatt az órák naponta 45 mikroszekundumot is felgyorsítanak, amint azt Einstein megjósolta. Ezúttal az Általános relativitáselméletével.
Íme, a földi órákhoz képest a GPS – műholdak órái valóban (45-7) = 38 mikroszekundummal gyorsulnak. Minden. Szingli. Nap.
mivel ezek az órák elég jók ahhoz, hogy figyelembe vegyük a külső tényezők hatásait, például a gravitáció változását, felhasználhatjuk őket ezeknek a hatásoknak a mérésére-csakúgy, mint ahogyan a profi íjászok meg tudják mondani, hogy a szél milyen irányba fúj, ha megnézik, hol vannak a nyilaik.
például a szuper stabil órák hálózatának képesnek kell lennie a gravitációs hullámok észlelésére a lézeres interferométerek számára elérhetetlen frekvenciákon, jelenleg az egyetlen eszköz, amely elég érzékeny ezekre az apró hullámokra a téridőben. Egy 10-20-as stabilitású óra képes lenne a tervezett űralapú gravitációs detektoroknak a pénzükért futni. A nagy teljesítményű óra is képes érzékelni apró gravitációs változások mélyen a föld alatt, hogy jel feltételek megérett egy földrengés vagy vulkánkitörés.
a tudósok már használják ezeket a szuper stabil és pontos órákat, hogy teljesen új fizikát keressenek. Például tesztelik, hogy az alapvető állandók valóban állandóak-e, és új utakat kínálnak a sötét anyag és a sötét energia évtizedekig tartó rejtélyének vizsgálatára.
A szerkesztő megjegyzése (szeptember 12, 2019): ezt a történetet úgy szerkesztették, hogy kijavítsák a NIST iroda helyét, ahol Andrew Ludlow dolgozik.