Hvorfor Trenger Vi Super Nøyaktige Atomklokker?

(Inside Science) – GPS-mottakeren i bilen eller mobiltelefon fungerer ved å lytte til satellitter kringkaste sin tid og sted. Når mottakeren har «kjøpt» fire satellitter, kan den beregne sin egen posisjon ved å sammenligne signalene. Siden signalene sendes ved hjelp av mikrobølger som reiser med lysets hastighet, kan en feil på en milliondel av et sekund på EN GPS-satellittklokke sette deg en kvart kilometer selvfølgelig.Heldigvis holder atomklokkene PÅ GPS-satellitter, på grunn av deres utrolige stabilitet og regelmessig synkronisering, en feil på mindre enn 1 milliarddel av et sekund.I Dag kan de beste klokkene forskerne jobber med, gjøre enda bedre – mer enn en million ganger bedre med noen tiltak. Disse absurd gode klokkene kan muliggjøre nye applikasjoner så ufattelig SOM GPS en gang var, alt fra å forutsi jordskjelv for å oppdage helt ny fysikk.Likevel Er Ikke alle høyytelses klokker like-det finnes en rekke design, og noen toppmoderne klokker er bedre egnet til bestemte applikasjoner enn andre. For å forstå hvorfor-og for å forstå ytelsen til en klokke mer generelt-må vi først forstå to grunnleggende begreper i statistikk: presisjon og nøyaktighet.

Piler og klokke flått

Tenk deg en bueskytter som har skutt ti piler. I dette scenariet er presisjon en måling av pilens posisjoner i forhold til hverandre, og nøyaktighet er en måling av deres posisjoner i forhold til bullseye. En presis bueskytter er ikke nødvendigvis en nøyaktig, og omvendt.

Presisjonen til en bueskytter er analog med et konsept kalt klokkestabilitet. Hvis man tenker på hvert kryss av klokken som et skudd og treffer bullseye som å holde nøyaktig riktig tid mellom hvert kryss, vil en presis, men ikke nøyaktig klokke konsekvent krysse enten langsommere eller raskere enn ønsket tid. På den annen side vil en nøyaktig, men upresis klokke krysse noen ganger raskere og noen ganger langsommere, men de akkumulerte feilene vil gjennomsnittlig ut noe over tid.»det er mange applikasjoner som bare trenger veldig god stabilitet, og så er det en rekke applikasjoner der bare stabilitet ikke er nok, og du trenger også nøyaktighet,» Sa Andrew Ludlow, fysiker fra National Institute Of Standards and Technology I Boulder, Colorado.Telekommunikasjon og navigasjonssystemer krever generelt stabile klokker, men de trenger ikke å være svært nøyaktige, sa han. På den annen side må atomklokker som fysikere bruker til å definere et sekund, også være veldig nøyaktige.

en naturlig fuzziness

for Tiden er stabiliteten til klokker generelt begrenset av eksperimentelle hang ups, for eksempel laserteknologi i optiske klokker. Men la oss si at vi kan bygge en klokke uten teknologiske begrensninger, det vil fortsatt være en grunnleggende ustabilitet knyttet til klokken, bundet av kvantefysikkloven, gitt av denne ligningen.

på venstre side har vi stabiliteten, som er enhetfri, som i en σ verdi på 0.1 ville bety en usikkerhet på ti prosent for målingen din. Denne stabiliteten bestemmes av parametrene på høyre side, som beskrevet nedenfor.

• ω: «tikkende» frekvens for tidskilden målt i sykluser per sekund, eller hertz (Hz). For et cesium-133-atom som gir ut stråling med 9,192,631,770 sykluser hvert sekund, vil tallet være 9,192,631,770 Hz;
• N: antall «tidtakere», for eksempel totalt antall cesiumatomer som brukes av klokken;
• t: syklustiden, som er lengden på hver måling for et forhåndsbestemt antall «flått» avhengig av utformingen av klokken. For eksempel, hvis en klokke er utformet for å registrere et datapunkt hvert sekund, så er t bare 1 sekund.
• m: totalt antall målinger under forsøket. For eksempel, hvis lengden på forsøket er et minutt, og klokken registrerer et datapunkt hvert sekund, vil m være 60.

Nå, la oss teste dette ut med noen tall. For en klokke som holder tiden ved å måle et kvantefenomen som oppstår tusen billioner ganger hvert sekund, vil ω være 1015 Hz, og hvis det teller i ett sekund hver gang det probes for fenomenet, vil t være 1 sekund. For N kan vi anta verdien av 1000, og for m kan vi bruke 86.400, totalt antall sekunder på en dag.

Bilde

for en dag lang måling, stabilitet relatert usikkerhet av våre teoretiske klokke ville være (1,71 x 10-20) x 86,400 s = 1.5 x 10-15 s, eller 1,5 femtosekunder.Siden denne naturlige fuzziness av klokken er direkte knyttet til utformingen av klokken, kan man i teorien holde forbedre stabiliteten ved å gjøre nevneren så stor som mulig. Dette kan gjøres ved å velge å måle et naturfenomen som oppstår med en super høy og regelmessig frekvens, som fører til en større ω, eller å måle flere kilder samtidig, noe som fører til en større N. Hvert av disse valgene presenterer sine egne unike teknologiske utfordringer, som noen ganger bringer deg i strid med den andre djevelen i detaljene-nøyaktighet.I Motsetning til den universelle ligningen for å beregne nivået av kvantestøy som dikterer en klokkes stabilitet, kan en klokkes nøyaktighet-eller med andre ord hvor nær tikkfrekvensen samsvarer med forventningene-påvirkes av en endeløs liste over samspill med miljøet.

«Magnetfelt og elektriske felt, for eksempel, kan forstyrre tikkehastigheten på klokken, men effekten avhenger av detaljene i klokken,» Sa Ludlow. «Vi kan komme opp med modeller for å prøve å forstå hvordan de påvirker klokkene, men de er ikke universelle på noen måte.»sperringen av eksterne faktorer som kan gjøre en superfølsom klokkedrift raskere eller langsommere over tid, kan ved første øyekast virke som en plage. Men hvis vi kan forstå disse effektene godt nok, holder de faktisk nøkkelen til helt nye verdener av applikasjoner.

En manns unøyaktige klokke er en annen manns skatt

Reiser på omtrent 8700 mph over himmelen vår, GPS-satellitter beveger seg raskt nok Til At Einsteins teori om spesiell relativitet har en merkbar effekt på klokkene sine, og senker dem med 7 mikrosekunder hver dag.Men Fordi DE reiser i en høyde på mer enn 12.000 miles, forårsaker den lavere tyngdekraften som GPS-satellittene opplever, at klokkene øker hastigheten på 45 mikrosekunder hver dag, som forutsatt av, gjettet Du Det, Einstein igjen. Denne gangen av hans teori om generell relativitet.Lo og se, sammenlignet med klokker på Jorden, går klokkene ombord PÅ GPS-satellitter faktisk opp med (45-7) = 38 mikrosekunder. Hver. Enkel. Dag.Siden disse klokkene er gode nok til at vi kan vurdere effekten av eksterne faktorer som en tyngdekraftendring, kan vi bruke dem til å måle disse effektene-akkurat som hvordan profesjonelle bueskyttere kan fortelle hvilken vei vinden blåste ved å se på hvor deres piler landet.for eksempel bør et nettverk av super stabile klokker kunne oppdage gravitasjonsbølger ved frekvenser utilgjengelige for laserinterferometre, for tiden det eneste instrumentet som er følsomt nok til disse små krusninger gjennom romtid. En klokke med en stabilitet på 10-20 ville kunne gi de planlagte rombaserte gravitasjonsdetektorer en løp for pengene sine. En høyytelsesur kan også være i stand til å fornemme små gravitasjonsendringer dypt under jorden som signaliserer forhold som er modne for et jordskjelv eller vulkanutbrudd.Forskere bruker allerede disse super stabile og nøyaktige klokkene for å søke etter helt ny fysikk. For eksempel tester de om grunnleggende konstanter faktisk er konstante, og gir nye veier for å undersøke det tiår lange puslespillet av mørk materie og mørk energi.

Redaktørens notat (12. September 2019): denne historien har blitt redigert for å korrigere plasseringen AV nist-kontoret Der Andrew Ludlow jobber.