Perché abbiamo bisogno di orologi atomici super accurati?
(Inside Science) – Il ricevitore GPS in auto o cellulare funziona ascoltando i satelliti trasmettono il loro tempo e la posizione. Una volta che il ricevitore ha “acquisito” quattro satelliti, può calcolare la propria posizione confrontando i segnali. Dal momento che i segnali vengono trasmessi utilizzando microonde che viaggiano alla velocità della luce, un errore di un milionesimo di secondo su un orologio satellitare GPS potrebbe mettere un quarto di miglio fuori rotta.
Fortunatamente, gli orologi atomici sui satelliti GPS, grazie alla loro incredibile stabilità e sincronizzazione regolare, mantengono un errore di meno di 1 miliardesimo di secondo.
Oggi, i migliori orologi su cui stanno lavorando gli scienziati possono fare ancora meglio-più di un milione di volte meglio con alcune misure. Questi orologi assurdamente buoni possono consentire nuove applicazioni inimmaginabili come il GPS una volta, che vanno dalla previsione dei terremoti alla scoperta di una fisica completamente nuova.
Eppure non tutti gli orologi ad alte prestazioni sono uguali-ci sono una gamma di disegni, e alcuni orologi state-of-the-art sono più adatti ad applicazioni particolari rispetto ad altri. Per capire perché-e per capire le prestazioni di un orologio più in generale – dobbiamo prima capire due concetti di base nelle statistiche: precisione e accuratezza.
Frecce e ticchettio dell’orologio
Immaginate un arciere che ha sparato dieci frecce. In questo scenario, la precisione è una misura delle posizioni delle frecce rispetto all’altro e la precisione è una misura delle loro posizioni rispetto al bullseye. Un arciere preciso non è necessariamente preciso, e viceversa.
Copyright American Institute of Physics (ristampa informazioni)
La precisione di un arciere è analogo al concetto di orologio di stabilità. Se si pensa di ogni tick dell’orologio come un colpo e colpire il bullseye come mantenere l’esatto momento giusto tra ogni tick, quindi un orologio preciso ma non preciso sarebbe costantemente tick più lento o più veloce della quantità desiderata di tempo. D’altra parte, un orologio preciso ma impreciso sarebbe spuntare a volte più veloce e talvolta più lento, ma gli errori accumulati sarebbe media fuori un po ‘ nel tempo.
“Ci sono molte applicazioni che richiedono solo una buona stabilità, e poi ci sono una serie di applicazioni in cui la stabilità non è sufficiente, e hai anche bisogno di precisione”, ha detto Andrew Ludlow, un fisico del National Institute of Standards and Technology di Boulder, in Colorado.
I sistemi di telecomunicazione e navigazione richiedono generalmente orologi stabili, ma non devono essere altamente accurati, ha affermato. D’altra parte, gli orologi atomici che i fisici usano per definire un secondo devono essere anche molto precisi.
Una sfocatura naturale
Attualmente, la stabilità degli orologi è generalmente limitata da hang up sperimentali, come le tecnologie laser negli orologi ottici. Ma diciamo che possiamo costruire un orologio privo di limiti tecnologici, ci sarà ancora un’instabilità fondamentale associata all’orologio, vincolata dalle leggi della fisica quantistica, date da questa equazione.
Sul lato sinistro, abbiamo la stabilità, che è senza unità, come in un valore σ di 0.1 significherebbe un’incertezza del dieci percento per la misurazione. Questa stabilità è determinata dai parametri sul lato destro, come descritto di seguito.
- ω: la frequenza di “ticchettio” della sorgente di cronometraggio misurata in cicli al secondo, o hertz (Hz). Per un atomo di cesio-133 che emette radiazioni con 9.192.631.770 cicli ogni secondo, il numero sarebbe 9.192.631.770 Hz;
- N: il numero di “cronometristi”, ad esempio il numero totale di atomi di cesio utilizzati dall’orologio;
- t: il tempo di ciclo, che è la lunghezza di ogni misurazione per un numero predeterminato di “zecche” a seconda del design dell’orologio. Ad esempio, se un orologio è progettato per registrare un punto dati ogni secondo, t è semplicemente 1 secondo.
- m: il numero totale di misurazioni durante l’esperimento. Ad esempio, se la lunghezza dell’esperimento è di un minuto e l’orologio registra un punto dati ogni secondo, m sarà 60.
Ora, testiamo questo con alcuni numeri. Per un orologio che mantiene il tempo misurando un fenomeno quantistico che si verifica mille trilioni di volte al secondo, ω sarebbe 1015 Hz, e se conta per un secondo ogni volta che sonda il fenomeno, allora t sarebbe 1 secondo. Per N possiamo assumere il valore di 1.000, e per m possiamo usare 86.400, il numero totale di secondi in un giorno.
Per una misurazione di un giorno, l’incertezza relativa alla stabilità del nostro orologio teorico sarebbe (1,71 x 10-20) x 86,400 s = 1.5 x 10-15 s, o 1,5 femtosecondi.
Poiché questa sfocatura naturale dell’orologio è direttamente collegata al design dell’orologio, si può in teoria continuare a migliorare la stabilità rendendo il denominatore il più grande possibile. Questo può essere fatto scegliendo di misurare un fenomeno naturale che si verifica ad una frequenza super alta e regolare, portando ad un ω più grande, o di misurare più fonti contemporaneamente, portando ad un N più grande.
Ognuna di queste scelte presenta le sue sfide tecnologiche uniche, che a volte ti portano in contrasto con l’altro diavolo nel dettaglio accuracy precisione.
A differenza dell’equazione universale per calcolare il livello di rumore quantistico che detta la stabilità di un orologio, la precisione di un orologio-o in altre parole quanto vicino il suo tasso di ticchettio corrisponda alle aspettative-può essere influenzata da una lista infinita di interazioni con il suo ambiente.
Cosa c’è di sbagliato nel definire un giorno come day un giorno?
Un secondo è attualmente definito come la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione a microonde da una transizione specifica di un elettrone che galleggia all’interno di un atomo di cesio-133 ad una temperatura di 0 K.
Che definizione maldestra, potresti pensare. Come mai non possiamo definire il secondo in modo più intuitivo, come in un sessantesimo di minuto, che è un sessantesimo di un’ora, che è un ventiquattresimo di un giorno, che è definito da una rotazione completa della Terra?
Per quanto possa sembrare pedante, la durata di un giorno sulla Terra non è abbastanza coerente per le moderne applicazioni scientifiche e tecnologiche. Ogni volta che c’è un terremoto, o un attacco di meteoriti, o anche una nuova diga in costruzione, la lunghezza di un giorno della Terra si sposterebbe di una frazione di secondo. Ad esempio, la forza di marea della Luna allunga la nostra giornata di pochi nanosecondi ogni giorno.
“I campi magnetici e i campi elettrici, ad esempio, possono perturbare la velocità di ticchettio dell’orologio, ma l’effetto dipende dai dettagli dell’orologio”, ha affermato Ludlow. “Possiamo inventare modelli per cercare di capire come influenzano gli orologi, ma non sono universali in alcun modo.”
La raffica di fattori esterni che possono rendere un orologio super sensibile più veloce o più lento nel tempo può, a prima vista, sembrare un fastidio. Ma se riusciamo a capire questi effetti abbastanza bene, in realtà detengono la chiave per interi nuovi mondi di applicazioni.
L’orologio impreciso di un uomo è il tesoro di un altro uomo
Viaggiando a circa 8.700 mph attraverso il nostro cielo, i satelliti GPS si muovono abbastanza velocemente perché la teoria della relatività speciale di Einstein abbia un effetto notevole sui loro orologi, rallentandoli di 7 microsecondi ogni giorno.
Tuttavia, poiché viaggiano ad un’altitudine di oltre 12.000 miglia, la gravità inferiore sperimentata dai satelliti GPS causa anche gli orologi per accelerare 45 microsecondi ogni giorno, come previsto da, avete indovinato, Einstein di nuovo. Questa volta dalla sua teoria della relatività generale.
Ecco, rispetto agli orologi sulla Terra, gli orologi a bordo dei satelliti GPS accelerano effettivamente di (45 – 7) = 38 microsecondi. Ogni. Singolo. Giorno.
Poiché questi orologi sono abbastanza buoni per noi da considerare gli effetti di fattori esterni come un cambiamento di gravità, possiamo usarli per misurare questi effetti-proprio come gli arcieri professionisti possono dire da che parte soffiava il vento guardando dove le loro frecce atterravano.
Ad esempio, una rete di orologi super stabili dovrebbe essere in grado di rilevare le onde gravitazionali a frequenze inaccessibili agli interferometri laser, attualmente l’unico strumento abbastanza sensibile a queste minuscole increspature nello spazio-tempo. Un orologio con una stabilità di 10-20 sarebbe in grado di dare ai rivelatori gravitazionali spaziali pianificati una corsa per i loro soldi. Un orologio ad alte prestazioni può anche essere in grado di percepire piccoli cambiamenti gravitazionali in profondità nel sottosuolo che segnalano condizioni mature per un terremoto o un’eruzione vulcanica.
Gli scienziati stanno già usando questi orologi super stabili e precisi per cercare una fisica completamente nuova. Ad esempio, stanno testando se le costanti fondamentali sono davvero costanti e stanno fornendo nuove strade per indagare l’enigma decennale della materia oscura e dell’energia oscura.
Nota del redattore (12 settembre 2019): Questa storia è stata modificata per correggere la posizione dell’ufficio NIST in cui lavora Andrew Ludlow.