Waarom Hebben We Super Accurate Atoomklokken Nodig?
(Inside Science) — de GPS-ontvanger in uw auto of mobiele telefoon werkt door te luisteren naar satellieten die hun tijd en locatie uitzenden. Zodra de ontvanger vier satellieten heeft “verworven”, kan hij zijn eigen positie berekenen door de signalen te vergelijken. Omdat de signalen worden uitgezonden met behulp van microgolven die met de snelheid van het licht reizen, kan een fout van een miljoenste seconde op een GPS-satelliet klok je een kwart mijl uit koers zetten.
gelukkig hebben de atoomklokken op GPS-satellieten, vanwege hun ongelooflijke stabiliteit en regelmatige synchronisatie, een fout van minder dan 1 miljardste van een seconde.
vandaag de dag kunnen de beste klokken waar wetenschappers aan werken nog beter-meer dan een miljoen keer beter volgens sommige maatstaven. Deze absurd goede klokken kunnen nieuwe toepassingen mogelijk maken die even onvoorstelbaar zijn als GPS ooit was, variërend van het voorspellen van aardbevingen tot het ontdekken van geheel nieuwe fysica.
toch zijn niet alle high-performance klokken gelijk — er zijn verschillende ontwerpen, en sommige state-of-the-art klokken zijn beter geschikt voor bepaalde toepassingen dan andere. Om te begrijpen waarom — en om de prestaties van een klok meer in het algemeen te begrijpen — moeten we eerst twee basisconcepten in de statistiek begrijpen: precisie en nauwkeurigheid.
pijlen en kloktekens
stel je een boogschutter voor die tien pijlen heeft geschoten. In dit scenario is precisie een meting van de posities van de pijlen ten opzichte van elkaar en nauwkeurigheid is een meting van hun posities ten opzichte van de roos. Een precieze Boogschutter is niet per se een nauwkeurige, en vice versa.
Copyright American Institute of Physics (herdruk informatie)
De precisie van een boogschutter is analoog aan een concept genaamd klok stabiliteit. Als men denkt aan elke teek van de klok als een schot en het raken van de roos als het houden van de exacte juiste tijd tussen elke teek, dan is een nauwkeurige maar niet nauwkeurige klok zou consequent teek ofwel langzamer of sneller dan de gewenste hoeveelheid tijd. Aan de andere kant zou een accurate maar onnauwkeurige klok soms sneller en soms langzamer tikken, maar de opgehoopte fouten zouden in de loop van de tijd gemiddeld uitkomen.
” Er zijn veel toepassingen die alleen echt goede stabiliteit nodig hebben, en dan zijn er een reeks toepassingen waar alleen stabiliteit niet genoeg is, en je hebt ook nauwkeurigheid nodig, ” zei Andrew Ludlow, een natuurkundige van het National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado.
telecommunicatie – en navigatiesystemen vereisen over het algemeen stabiele klokken, maar ze hoeven niet zeer nauwkeurig te zijn, zei hij. Aan de andere kant moeten atoomklokken die natuurkundigen gebruiken om een tweede te definiëren ook echt nauwkeurig zijn.
een natuurlijke waas
momenteel wordt de stabiliteit van klokken over het algemeen beperkt door experimentele ophangingen, zoals lasertechnologieën in optische klokken. Maar laten we zeggen dat we een klok kunnen bouwen zonder technologische beperkingen, er zal nog steeds een fundamentele instabiliteit zijn verbonden met de klok, gebonden door de wetten van de kwantumfysica, gegeven door deze vergelijking.
aan de linkerkant hebben we de stabiliteit, die eenheidsvrij is, als in een σ-waarde van 0.1 zou een onzekerheid van tien procent voor uw meting betekenen. Deze stabiliteit wordt bepaald door de parameters aan de rechterkant, zoals hieronder beschreven.
- ω: de “ticking” – frequentie van de tijdwaarnemingsbron, gemeten in cycli per seconde, of hertz (Hz). Voor een cesium-133-atoom dat straling geeft met 9,192,631,770 cycli per seconde, zou het aantal 9,192,631,770 Hz zijn;
- N: het aantal “tijdwaarnemers”, bijvoorbeeld het totale aantal cesium-atomen dat door de klok wordt gebruikt;
- t: de cyclustijd, dat is de lengte van elke meting voor een vooraf bepaald aantal “teken” afhankelijk van het ontwerp van de klok. Als een klok bijvoorbeeld is ontworpen om elke seconde een datapunt te registreren, dan is t gewoon 1 seconde.
- m: het totale aantal metingen tijdens het experiment. Bijvoorbeeld, als de lengte van het experiment een minuut is en de klok elke seconde een gegevenspunt registreert, dan is m 60.
laten we dit nu testen met enkele getallen. Voor een klok die de tijd bijhoudt door een kwantumfenomeen te meten dat duizend biljoen keer per seconde voorkomt, zou ω 1015 Hz zijn, en als het elke keer één seconde telt als het het fenomeen onderzoekt, dan zou T 1 seconde zijn. Voor N kunnen we de waarde van 1.000 aannemen, en voor m kunnen we 86.400 gebruiken, het totale aantal seconden per dag.
voor een dag lange meting zou de stabiliteit gerelateerde onzekerheid van onze theoretische klok (1,71 x 10-20) x 86,400 s = 1 zijn.5 x 10-15 s, of 1,5 femtoseconden.
aangezien deze natuurlijke waas van de klok direct verbonden is met het ontwerp van de klok, kan men in theorie de stabiliteit blijven verbeteren door de noemer zo groot mogelijk te maken. Dit kan worden gedaan door te kiezen voor het meten van een natuurlijk fenomeen dat optreedt op een super hoge en regelmatige frequentie, wat leidt tot een grotere ω, of om meer bronnen tegelijkertijd te meten, wat leidt tot een grotere N.
elk van deze keuzes presenteert zijn eigen unieke technologische uitdagingen, die je soms in strijd brengen met de andere duivel in de details-nauwkeurigheid.
In tegenstelling tot de universele vergelijking voor het berekenen van het niveau van kwantumruis dat de stabiliteit van een klok dicteert, kan de nauwkeurigheid van een klok-of met andere woorden hoe dicht zijn ticking rate overeenkomt met verwachtingen-worden beïnvloed door een eindeloze lijst van interacties met zijn omgeving.
Wat is er mis met het definiëren van een dag als … een dag?
een seconde wordt momenteel gedefinieerd als de duur van 9,192,631,770 perioden van de microgolfstraling van een specifieke overgang van een elektron dat in een cesium-133 atoom drijft bij een temperatuur van 0 K.
wat een onhandige definitie zou je kunnen denken. Hoe komt het dat we de tweede niet intuïtiever kunnen definiëren, zoals in een zestigste van een minuut, dat is een zestigste van een uur, dat is een vierentwintigste van een dag, dat wordt gedefinieerd door een volledige rotatie van de aarde?
hoe pedant het ook mag lijken, de lengte van een dag op aarde is niet consistent genoeg voor hedendaagse wetenschappelijke en technologische toepassingen. Elke keer als er een aardbeving is, of een meteoorinslag, of zelfs een nieuwe dam wordt gebouwd, zou de lengte van een aardse dag met een fractie van een seconde verschuiven. Bijvoorbeeld, de getijdekracht van de maan verlengt onze dag elke dag een paar nanoseconden.
“magnetische velden en elektrische velden, bijvoorbeeld, kunnen de ticking rate van de klok verstoren, maar het effect hangt af van de details van de klok,” zei Ludlow. “We kunnen modellen bedenken om te proberen te begrijpen hoe ze de klokken beïnvloeden, maar ze zijn op geen enkele manier universeel.”
het spervuur van externe factoren die een supergevoelige klok sneller of langzamer in de tijd kunnen laten drijven, kan op het eerste gezicht een overlast lijken. Maar als we deze effecten goed genoeg kunnen begrijpen, hebben ze de sleutel tot hele nieuwe werelden van toepassingen.
de onnauwkeurige klok van de ene man is de schat van de andere man
met een snelheid van ongeveer 8.700 km / u door onze hemel bewegen GPS-satellieten snel genoeg om Einsteins speciale relativiteitstheorie een merkbaar effect op hun klokken te hebben, waardoor ze elke dag met 7 microseconden worden vertraagd.
echter, omdat ze op een hoogte van meer dan 12.000 mijl reizen, zorgt de lagere zwaartekracht van GPS-satellieten er ook voor dat de klokken elke dag 45 microseconden versnellen, zoals voorspeld door, je raadt het al, Einstein. Deze keer door zijn algemene relativiteitstheorie.
Lo en zie, vergeleken met klokken op aarde, versnellen de klokken aan boord van GPS – satellieten inderdaad met (45-7) = 38 microseconden. Elke. Enkel. Dag.
aangezien deze klokken goed genoeg zijn om de effecten van externe factoren zoals een verandering in de zwaartekracht te overwegen, kunnen we ze gebruiken om deze effecten te meten-net zoals professionele boogschutters kunnen vertellen welke kant de wind waaide door te kijken naar waar hun pijlen landden.een netwerk van superstabiele klokken zou bijvoorbeeld gravitatiegolven moeten kunnen detecteren bij frequenties die niet toegankelijk zijn voor laserinterferometers, momenteel het enige instrument dat gevoelig genoeg is voor deze kleine rimpelingen door de ruimtetijd. Een klok met een stabiliteit van 10-20 zou in staat zijn om de geplande ruimte gebaseerde gravitatiedetectoren een run voor hun geld te geven. Een high performance klok kan ook in staat zijn om kleine gravitationele veranderingen diep onder de grond die de omstandigheden rijp voor een aardbeving of vulkaanuitbarsting signaleren.
wetenschappers gebruiken deze superstabiele en nauwkeurige klokken al om te zoeken naar volledig nieuwe fysica. Ze testen bijvoorbeeld of fundamentele constanten inderdaad constant zijn en bieden nieuwe wegen om de decennialange puzzel van donkere materie en donkere energie te onderzoeken.
Noot van de redactie (12 September 2019): dit verhaal is bewerkt om de locatie van het NIST-kantoor waar Andrew Ludlow werkt te corrigeren.