なぜ私たちは超正確な原子時計が必要なのですか？
(Inside Science)-あなたの車や携帯電話のGPS受信機は、衛星が自分の時間と場所を放送するのを聞くことによって動作します。 受信機が4つの衛星を「取得」すると、信号を比較することによって独自の位置を計算できます。 信号は光の速度で移動するマイクロ波を使用して放送されているので、GPS衛星時計の第二の百万分の一のエラーは、コースを離れて四分の一マイルを置く
幸いなことに、GPS衛星の原子時計は、その信じられないほどの安定性と定期的な同期のために、1億分の1秒未満の誤差を維持します。
今日、科学者が取り組んでいる最高の時計は、いくつかの措置によって百万倍以上優れていることができます。
今日、科学者が取り組んでいる最高の時計は、さらに優れていることができます。 これらの不条理に良い時計は、地震の予測から全く新しい物理学の発見に至るまで、GPSがかつてあったように想像を絶する新しいアプリケーションを可
まだすべての高性能時計が等しいわけではありません-設計の範囲があり、いくつかの最先端の時計は他のものよりも特定のアプリケーションに その理由を理解し、より一般的にクロックのパフォーマンスを理解するには、まず統計の2つの基本的な概念、精度と精度を理解する必要があります。
矢と時計のティック
十本の矢を撃った射手を想像してみてください。 このシナリオでは、精度は矢印の相対的な位置の測定値であり、精度はブルズアイに対する矢印の位置の測定値です。 正確な射手は必ずしも正確なものではなく、その逆もあります。/div>
著作権アメリカ物理学研究所（転載情報）
アーチャーは時計の安定性と呼ばれる概念に類似しています。 時計の各ティックをショットとして考え、ブルズアイを打つと、すべてのティックの間の正確な正しい時間を保つと考えると、正確ではあるが正確ではない時計は、所望の時間よりも低速または高速のいずれかを一貫してティックする。 一方、正確ではあるが不正確な時計は、時には速く、時には遅く刻むことがありますが、蓄積されたエラーは時間の経過とともに幾分平均化されます。
“本当に良い安定性だけを必要とする多くのアプリケーションがあり、安定性だけでは不十分で、精度も必要なアプリケーションがあります”と、コロラド州ボルダーの国立標準技術研究所の物理学者であるAndrew Ludlow氏は述べています。
通信およびナビゲーションシステムは、一般的に安定した時計を必要とするが、彼らは非常に正確である必要はありません、と彼は言いました。 一方、物理学者が秒を定義するために使用する原子時計も本当に正確である必要があります。
自然なあいまいさ
現在、時計の安定性は、一般的に、光時計のレーザー技術などの実験的なハングアップによって制限されています。 しかし、我々は技術的な制限のない時計を構築することができますしてみましょう、まだこの方程式によって与えられた量子物理学の法則に縛られ、時計に関連する基本的な不安定性があるだろうとしています。 /P>
左側には、0のσ値のように、ユニットフリーである安定性があります。1は、あなたの測定のための十パーセントの不確実性を意味します。 この安定性は、以下で説明するように、右側のパラメータによって決定されます。
- ω:1秒あたりのサイクル単位、つまりヘルツ(Hz)で測定された計時源の”カチカチ”周波数。 毎秒9,192,631,770サイクルの放射を出すセシウム133原子の場合、その数は9,192,631,770Hzになります。
- N：”タイムキーパー”の数、例えば時計で使用されるセシウム原子の総数。
- t: クロックの設計に応じて、所定の数の”ティック”に対する各測定の長さであるサイクル時間。 たとえば、クロックが毎秒データポイントを登録するように設計されている場合、tは単純に1秒です。
- m：実験中の測定の合計数。
- m：実験中の測定の合計数。 たとえば、実験の長さが1分で、時計が毎秒データポイントを登録している場合、mは60になります。
さて、これをいくつかの数字でテストしましょう。 毎秒千兆回発生する量子現象を測定して時間を保つ時計の場合、ωは1015Hzであり、現象をプローブするたびに一秒間カウントすると、tは1秒になります。 Nの場合、1,000の値を想定し、mの場合、1日の合計秒数である86,400を使用できます。
一日の長い測定のために、私たちの理論的な時計の安定性関連の不確実性は（1.71×10-20）x86,400s=1になります。5×10-15秒、または1.5フェムト秒。
この時計の自然なあいまいさは時計の設計に直接リンクされているので、理論的には分母をできるだけ大きくすることによって安定性を改善し続 これは、超高頻度で発生する自然現象を測定し、ωを大きくするか、より多くのソースを同時に測定し、Nを大きくすることを選択することによって行うこ
時計の安定性を指示する量子ノイズのレベルを計算するための普遍的な方程式とは異なり、時計の精度、つまり刻々と変化する速度が期待にどれだけ近いかは、その環境との無限の相互作用のリストによって影響される可能性があります。p>
日を…日として定義するのは何が間違っていますか？
秒は、現在、0Kの温度でセシウム133原子の内部に浮遊する電子の特定の遷移からのマイクロ波放射の9,192,631,770周期の期間として定義されています。
どのような不器用な定義、あなたが考えるかもしれません。 なぜ私たちは、地球の一つの完全な回転によって定義されている一日の二十四である時間の六十である分の六十のように、より直感的に第二を定義す
それが見えるかもしれませんように賢明なように、地球上の一日の長さは、現代の科学技術のアプリケーションのために十分に一貫していません。
地震、または流星のストライキ、または建設されている新しいダムさえあるたびに、地球の日の長さはほんの数秒だけシフトするでしょう。 例えば、月の潮汐力は毎日私たちの日を数ナノ秒長くします。
「例えば、磁場や電場は時計の刻々とした速度を乱す可能性がありますが、その効果は時計の詳細に依存します」とLudlow氏は述べています。 「時計にどのような影響を与えるかを理解しようとするモデルを考え出すことはできますが、普遍的なものではありません。”
時間の経過とともに超敏感な時計のドリフトをより速くまたは遅くすることができる外部要因の弾幕は、一見すると迷惑のように見えるかも しかし、我々は十分にこれらの効果を理解することができれば、彼らは実際にアプリケーションの全く新しい世界への鍵を保持しています。
一人の男の不正確な時計は別の男の宝物です
私たちの空を約8,700mphで移動すると、GPS衛星はアインシュタインの特殊相対性理論が時計に顕著な影響を与え、毎日7マイクロ秒遅くするのに十分な速さで移動します。
しかし、彼らは12,000マイル以上の高度で移動するので、GPS衛星が経験するより低い重力はまた、アインシュタインが予測したように、毎日45マイクロ秒 今回は一般相対性理論の彼の理論によって。見よ、地球上の時計と比較して、GPS衛星に搭載されている時計は確かに（45–7）=38マイクロ秒だけスピードアップします。 すべて。 シングル。 日。
これらの時計は、重力の変化などの外部要因の影響を考慮するのに十分なので、プロの射手が矢がどこに着陸したかを見て風が吹いているかを知るように、これらの影響を測定するためにそれらを使用することができます。
例えば、超安定時計のネットワークは、レーザー干渉計にアクセスできない周波数で重力波を検出することができるはずですが、現在、時空を介してこれらの小さな波紋に十分に敏感な唯一の機器です。 10-20の安定性を持つ時計は、計画された宇宙ベースの重力検出器に彼らのお金のために実行を与えることができるでしょう。 高性能時計はまた、地震や火山噴火のために熟した状態を知らせる地下深くの小さな重力変化を感知することができるかもしれません。
科学者たちはすでに、これらの超安定で正確な時計を使用して、まったく新しい物理学を検索しています。 例えば、彼らは基本的な定数が実際に一定であるかどうかをテストしており、ダークマターとダークエネルギーの何十年ものパズルを調査するための新しい道を提供しています。編集者注（2019年9月12日）：このストーリーは、Andrew Ludlowが働いているNISTオフィスの場所を修正するために編集されました。