Dlaczego Potrzebujemy Super Dokładnych Zegarów Atomowych?
(Inside Science) – Odbiornik GPS w samochodzie lub komórce działa, słuchając satelitów transmitujących swój czas i lokalizację. Gdy odbiornik „zdobędzie” cztery satelity, może obliczyć własną pozycję, porównując sygnały. Ponieważ sygnały są nadawane za pomocą mikrofal, które poruszają się z prędkością światła, błąd milionowej części sekundy zegara satelitarnego GPS może umieścić ćwierć mili z kursu.
na szczęście zegary atomowe na satelitach GPS, ze względu na ich niesamowitą stabilność i regularną synchronizację, utrzymują błąd mniejszy niż 1 miliardowa część sekundy.
dziś najlepsze Zegary, nad którymi pracują naukowcy, mogą stać się jeszcze lepsze-ponad milion razy lepsze pod pewnymi względami. Te absurdalnie dobre zegary mogą umożliwić nowe zastosowania tak niewyobrażalne, jak kiedyś GPS, począwszy od przewidywania trzęsień ziemi do odkrywania zupełnie nowej fizyki.
jednak nie wszystkie wysokowydajne zegary są sobie równe-istnieje wiele wzorów, a niektóre najnowocześniejsze Zegary lepiej nadają się do konkretnych zastosowań niż inne. Aby zrozumieć, dlaczego — i aby zrozumieć działanie zegara bardziej ogólnie — musimy najpierw zrozumieć dwa podstawowe pojęcia w statystyce: precyzję i dokładność.
Strzałki i Tiki zegara
wyobraź sobie łucznika, który wystrzelił dziesięć strzał. W tym scenariuszu precyzja jest miarą pozycji strzałek względem siebie, a dokładność jest miarą ich pozycji względem tarczy. Precyzyjny łucznik niekoniecznie musi być precyzyjny i vice versa.
Copyright American Institute of Physics (reprinting information)
precyzja łucznika jest analogiczna do pojęcia zwanego statecznością zegara. Jeśli ktoś myśli o każdym kleszcza zegara jako strzał i uderzenie w dziesiątkę jako utrzymanie dokładnego czasu między każdym kleszczem, a następnie dokładny, ale nie dokładny zegar konsekwentnie kleszczy albo wolniej lub szybciej niż pożądana ilość czasu. Z drugiej strony dokładny, ale nieprecyzyjny zegar wskazywałby czasem szybciej, a czasem wolniej, ale nagromadzone błędy nieco się uśredniały w czasie.
„jest wiele zastosowań, które wymagają tylko naprawdę dobrej stabilności, a ponadto istnieje szereg zastosowań, w których sama stabilność nie wystarczy, a ty potrzebujesz również dokładności”, powiedział Andrew Ludlow, fizyk z National Institute of Standards and Technology w Boulder, Colorado.
Systemy Telekomunikacyjne i nawigacyjne na ogół wymagają stabilnych zegarów, ale nie muszą być bardzo dokładne. Z drugiej strony, zegary atomowe, których fizycy używają do definiowania sekundy, muszą być również naprawdę dokładne.
naturalna fuzziness
obecnie stabilność zegarów jest na ogół ograniczona przez Eksperymentalne zawieszki, takie jak technologie laserowe w zegarach optycznych. Ale powiedzmy, że możemy zbudować zegar wolny od ograniczeń technologicznych, nadal będzie fundamentalna niestabilność związana z zegarem, związana prawami fizyki kwantowej, podanymi przez to równanie.
po lewej stronie mamy stabilność, która jest wolna od jednostek, jak w σ wartości 0.1 oznaczałoby niepewność 10% dla Twojego pomiaru. Stabilność ta jest określona przez parametry po prawej stronie, jak opisano poniżej.
- ω: częstotliwość „tykania” źródła pomiaru czasu mierzona w cyklach na sekundę lub hercach (Hz). Dla atomu cezu-133, który emituje promieniowanie z 9,192,631,770 cykli co sekundę, liczba ta wynosiłaby 9,192,631,770 Hz;
- n: liczba „zegarmistrzów”, na przykład całkowita liczba atomów cezu używanych przez zegar;
- t: czas cyklu, który jest długością każdego pomiaru dla określonej liczby „kleszczy” w zależności od konstrukcji zegara. Na przykład, jeśli zegar jest przeznaczony do rejestrowania punktu danych co sekundę, to t jest po prostu 1 sekundą.
- m: całkowita liczba pomiarów podczas eksperymentu. Na przykład, jeśli długość eksperymentu wynosi minutę, a zegar rejestruje punkt danych co sekundę, to m będzie wynosić 60.
teraz przetestujmy to z kilkoma liczbami. Dla zegara, który utrzymuje czas mierząc zjawisko kwantowe, które występuje tysiąc bilionów razy na sekundę, ω wynosiłoby 1015 Hz, a jeśli liczy się jedna sekunda za każdym razem, gdy sonduje to zjawisko, to t wynosiłoby 1 sekundę. Dla N możemy przyjąć wartość 1000, A Dla m możemy użyć 86 400, całkowitej liczby sekund w ciągu dnia.
w przypadku całodziennego pomiaru niepewność związana ze stabilnością naszego teoretycznego zegara wynosiłaby (1,71 x 10-20) x 86,400 s = 1.5 x 10-15 s, czyli 1,5 femtosekund.
ponieważ ta naturalna rozmycie zegara jest bezpośrednio związane z konstrukcją zegara, można teoretycznie nadal poprawiać stabilność, czyniąc mianownik tak dużym, jak to możliwe. Można to zrobić, wybierając pomiar zjawiska naturalnego, które występuje z bardzo wysoką i regularną częstotliwością, co prowadzi do większej ω, lub pomiar większej liczby źródeł jednocześnie, co prowadzi do większej liczby n.
każdy z tych wyborów przedstawia swoje własne, unikalne wyzwania technologiczne, które czasami prowadzą do sprzeczności z drugim diabłem w szczegółach-dokładności.
w przeciwieństwie do uniwersalnego równania do obliczania poziomu szumu kwantowego dyktującego stabilność zegara, dokładność zegara-lub innymi słowy, jak blisko jego tykania odpowiada oczekiwaniom-może mieć wpływ niekończąca się lista interakcji z otoczeniem.
co jest złego w definiowaniu dnia jako… dnia?
sekunda jest obecnie definiowana jako czas trwania 9.192.631.770 okresów promieniowania mikrofalowego z określonego przejścia elektronu pływającego wewnątrz atomu cezu-133 w temperaturze 0 K.
co za niezdarna definicja, można pomyśleć. Jak to możliwe, że nie możemy zdefiniować drugiej bardziej intuicyjnie, jak w jednej sześćdziesiątej minuty, która jest jedną sześćdziesiątą godziny, która jest jedną dwudziestą czwartą dnia, która jest zdefiniowana przez jeden pełny obrót Ziemi?
choć może się wydawać pedantyczne, Długość dnia na ziemi nie jest wystarczająco spójna dla współczesnych zastosowań naukowych i technologicznych. Za każdym razem, gdy dochodzi do trzęsienia ziemi, uderzenia meteoru, czy nawet budowy nowej tamy, Długość dnia ziemskiego przesuwa się o ułamek sekundy. Na przykład, siła pływowa Księżyca wydłuża nasz dzień o kilka nanosekund każdego dnia.
„na przykład pola magnetyczne i pola elektryczne mogą zaburzać szybkość tykania zegara, ale efekt zależy od szczegółów zegara”, powiedział Ludlow. „Możemy wymyślić modele, aby spróbować zrozumieć, w jaki sposób wpływają na zegary, ale nie są one w żaden sposób uniwersalne.”
zapora czynników zewnętrznych, które mogą sprawić, że superczuły zegar dryfuje szybciej lub wolniej w czasie, może na pierwszy rzut oka wydawać się uciążliwością. Ale jeśli zrozumiemy te efekty wystarczająco dobrze, będą one kluczem do zupełnie nowych światów zastosowań.
niedokładny zegar jednego człowieka jest skarbem innego człowieka
podróżując z prędkością około 8700 mph po naszym niebie, satelity GPS poruszają się wystarczająco szybko, aby teoria szczególnej teorii względności Einsteina miała zauważalny wpływ na ich zegary, spowalniając je o 7 mikrosekund każdego dnia.
jednak, ponieważ podróżują na wysokości ponad 12 000 mil, niższa grawitacja doświadczana przez satelity GPS powoduje również, że zegary przyspieszają 45 mikrosekund każdego dnia, zgodnie z przewidywaniami, jak zgadliście, Einsteina. Tym razem przez jego teorię ogólnej teorii względności.
Lo i oto, w porównaniu do zegarów na Ziemi, zegary na satelitach GPS rzeczywiście przyspieszają o (45 – 7) = 38 mikrosekund. Każdy. Singiel. Dzień.
ponieważ te zegary są wystarczająco dobre, aby wziąć pod uwagę wpływ czynników zewnętrznych, takich jak zmiana grawitacji, możemy użyć ich do pomiaru tych efektów-tak jak profesjonalni łucznicy mogą stwierdzić, w którą stronę wieje wiatr, patrząc na miejsce, w którym wylądowały ich strzały.
na przykład sieć superstabilnych zegarów powinna być w stanie wykryć fale grawitacyjne o częstotliwościach niedostępnych dla interferometrów laserowych, obecnie jedyny instrument wystarczająco wrażliwy na te drobne zmarszczki w czasie czasoprzestrzennym. Zegar o stabilności 10-20 byłby w stanie dać planowanym detektorom grawitacyjnym opartym na przestrzeni kosmicznej szansę na ich pieniądze. Zegar o wysokiej wydajności może również być w stanie wyczuć niewielkie zmiany grawitacyjne głęboko pod ziemią, które sygnalizują warunki do trzęsienia ziemi lub erupcji wulkanu.
naukowcy już używają tych super stabilnych i dokładnych zegarów do poszukiwania zupełnie nowej fizyki. Na przykład badają, czy fundamentalne stałe są rzeczywiście stałe, i dostarczają nowych dróg do zbadania trwającej od dziesięcioleci zagadki ciemnej materii i ciemnej energii.
Nota wydawcy (12 września 2019 r.): ten artykuł został zredagowany w celu poprawienia lokalizacji biura NIST, w którym pracuje Andrew Ludlow.