Porque Precisamos De Relógios Atómicos Super Precisos?
(Inside Science) — o receptor GPS no seu carro ou telemóvel funciona ouvindo satélites transmitindo o seu tempo e localização. Uma vez que o receptor tenha “adquirido” quatro satélites, ele pode calcular sua própria posição comparando os sinais. Uma vez que os sinais são transmitidos usando microondas que viajam à velocidade da luz, um erro de um milionésimo de segundo num relógio de satélite GPS pode colocá-lo um quarto de milha fora do curso.Felizmente, os relógios atômicos em satélites GPS, devido à sua incrível estabilidade e sincronização regular, mantêm um erro de menos de 1 bilionésimo de segundo.
hoje, os melhores relógios em que os cientistas estão trabalhando podem fazer ainda melhor — mais de um milhão de vezes melhor por algumas medidas. Estes relógios absurdamente bons podem permitir novas aplicações tão inimagináveis como o GPS, que vão desde prever terramotos até descobrir física inteiramente nova.
no entanto, nem todos os relógios de alta performance são iguais — há uma gama de desenhos, e alguns relógios de última geração são mais adequados para aplicações particulares do que outros. Para entender por que — e entender o desempenho de um relógio de forma mais geral — primeiro precisamos entender dois conceitos básicos em estatísticas: precisão e precisão.
Setas e o relógio carrapatos
Imagine um arqueiro que tem tiro de dez flechas. Neste cenário, precisão é uma medida das posições das setas em relação umas às outras e precisão é uma medida de suas posições em relação ao alvo. Um arqueiro preciso não é necessariamente preciso, e vice-versa.
Copyright Instituto Americano de Física (reimpressão informações)
A precisão de um arqueiro é análogo a um conceito chamado de relógio de estabilidade. Se se pensar em cada carrapato do relógio como um tiro e acertar o alvo como mantendo o tempo exato certo entre cada carrapato, então um relógio preciso, mas não preciso, consistentemente assinalar mais lento ou mais rápido do que a quantidade de tempo desejada. Por outro lado, um relógio preciso, mas impreciso, às vezes carrapato mais rápido e às vezes mais lento, mas os erros acumulados teriam uma média de um pouco ao longo do tempo.
“Há um monte de aplicativos que só precisa realmente boa estabilidade e, em seguida, há uma série de aplicações onde apenas a estabilidade não é o suficiente, e você também precisa de precisão”, disse Andrew Ludlow, um físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, em Boulder, Colorado.sistemas de telecomunicações e navegação geralmente requerem relógios estáveis, mas eles não precisam ser altamente precisos, disse ele. Por outro lado, os relógios atômicos que os físicos usam para definir um segundo precisam ser realmente precisos também.atualmente, a estabilidade dos relógios é geralmente limitada por interrupções experimentais, tais como tecnologias laser em relógios ópticos. Mas digamos que podemos construir um relógio livre de limitações tecnológicas, ainda haverá uma instabilidade fundamental associada ao relógio, vinculada pelas leis da física quântica, dadas por esta equação.
No lado esquerdo, temos a estabilidade, que é a unidade livre, como em um σ valor de 0.1 significaria uma incerteza de 10% para a sua medição. Esta estabilidade é determinada pelos parâmetros do lado direito, como descrito abaixo.
- ω: a frequência de “tique-taque” da fonte de tempo medida em ciclos por segundo, ou hertz (Hz). Para um césio-133 átomo que emite radiação com 9,192,631,770 ciclos a cada segundo, o número seria 9,192,631,770 Hz;
- N: o número de “cronometristas,” por exemplo, o número total de átomos de césio usado pelo relógio;
- t: o tempo do ciclo, que é o comprimento de cada medição para um número predeterminado de “carraças”, dependendo do projeto do relógio. Por exemplo, se um relógio é projetado para registrar um ponto de dados a cada segundo, então t é simplesmente 1 segundo.
- m: o número total de medições durante a experiência. Por exemplo, se o comprimento da experiência for um minuto, e o relógio estiver registrando um ponto de dados a cada segundo, então m será 60.
Agora, vamos testar isso com alguns números. Para um relógio que mantém o tempo medindo um fenômeno quântico que ocorre mil trilhões de vezes por segundo, ω seria 1015 Hz, e se ele conta por um segundo cada vez que sondas para o fenômeno, então t seria 1 segundo. Para N podemos assumir o valor de 1.000, e para m podemos usar 86.400, o número total de segundos em um dia.
Para um dia longo de medição, a estabilidade relacionados com a incerteza de nossos teóricos relógio seria (1.71 x 10-20) x de 86.400 s = 1.5 x 10-15 s, ou 1,5 femtosegundos.
Uma vez que esta fuzziness natural do relógio está diretamente ligada ao projeto do relógio, pode-se, em teoria, continuar a melhorar a estabilidade, tornando o denominador o maior possível. Isto pode ser feito escolhendo-se a medida de um fenômeno natural que ocorre em uma super em alta e freqüência regular, levando a uma maior ω, ou a medida mais fontes simultaneamente, levando a uma maior N.
Cada uma dessas escolhas apresenta seus próprios desafios tecnológicos, que, por vezes, trazer você em desacordo com o outro diabo nos detalhes, a precisão.
Ao contrário da equação universal para calcular o nível de ruído quântico ditando a estabilidade de um relógio, a precisão de um relógio — ou, por outras palavras, quão perto a sua taxa de tique-taque corresponde às expectativas — pode ser afetada por uma lista interminável de interações com o seu ambiente.
What’s wrong with defining a day as… a day?
Uma segunda atualmente é definido como a duração de 9,192,631,770 períodos da radiação de microondas de uma específicas de transição de um elétron flutuante dentro de um césio-133 átomo a uma temperatura de 0 K.
o Que um desajeitado definição, você pode pensar. Por que não podemos definir o segundo mais intuitivamente, como em um sexagésimo de minuto, que é um sexagésimo de hora, que é um vigésimo quarto de dia, que é definido por uma rotação completa da Terra?por mais pedante que pareça, a duração de um dia na terra não é consistente o suficiente para aplicações científicas e tecnológicas modernas. Cada vez que há um terremoto, ou um impacto de meteoro, ou mesmo uma nova Represa sendo construída, a duração de um dia da Terra mudaria por uma fração de segundo. Por exemplo, a força da maré da lua aumenta o nosso dia alguns nanossegundos todos os dias.
“campos Magnéticos e campos elétricos, por exemplo, pode atrapalhar o tique-taque taxa do relógio, mas o efeito depende dos detalhes do relógio”, disse Ludlow. “Nós podemos criar modelos para tentar entender como eles impactam os relógios, mas eles não são universais de nenhuma forma.”
A Barragem de fatores externos que podem fazer um relógio super sensível deriva mais rápido ou mais lento ao longo do tempo Pode, à primeira vista, parecer um incômodo. Mas se pudermos entender bem esses efeitos, eles realmente têm a chave para novos mundos de aplicações.o relógio impreciso de um homem é o tesouro de outro homem viajando a cerca de 8.700 mph através do nosso céu, satélites GPS movem-se rápido o suficiente para a teoria da relatividade especial de Einstein ter um efeito visível nos seus relógios, atrasando-os em 7 microssegundos por dia.
no entanto, como eles viajam a uma altitude de mais de 12.000 milhas, a menor gravidade experimentada por satélites GPS também faz com que os relógios para acelerar 45 microssegundos a cada dia, como previsto por, você adivinhou, Einstein novamente. Desta vez pela sua teoria da relatividade geral.Lo And behold, compared to clocks on Earth, the clocks aboard GPS satellites indeed up by (45 – 7) = 38 microssegundos. Todo. Unico. Dia.uma vez que estes relógios são suficientemente bons para considerarmos os efeitos de factores externos, como uma mudança de gravidade, podemos usá-los para medir esses efeitos, tal como os arqueiros profissionais podem dizer para que lado o vento soprava, olhando para onde as suas flechas pousavam.
Por exemplo, uma rede de relógios super estáveis deve ser capaz de detectar ondas gravitacionais em frequências inacessíveis aos interferômetros laser, atualmente o único instrumento sensível o suficiente para estas pequenas ondulações através do tempo espacial. Um relógio com uma estabilidade de 10-20 seria capaz de dar aos detectores gravitacionais baseados no espaço planejado uma corrida para o seu dinheiro. Um relógio de alto desempenho também pode ser capaz de sentir pequenas mudanças gravitacionais no subsolo que sinalizam condições propícias para um terremoto ou erupção vulcânica.
os cientistas já estão usando esses relógios super estáveis e precisos para procurar por física inteiramente nova. Por exemplo, eles estão testando se constantes fundamentais são realmente constantes, e estão fornecendo novas avenidas para investigar o quebra-cabeça de décadas de matéria escura e energia escura.Nota do Editor (12 de setembro de 2019): esta história foi editada para corrigir a localização do Escritório NIST onde trabalha Andrew Ludlow.