De Ce Avem Nevoie De Ceasuri Atomice Super Precise?
(Inside Science) – receptorul GPS din mașină sau telefonul mobil funcționează ascultând sateliții difuzând ora și locația lor. Odată ce receptorul a „achiziționat” patru sateliți, își poate calcula propria poziție comparând semnalele. Deoarece semnalele sunt difuzate cu ajutorul microundelor care se deplasează cu viteza luminii, o eroare de o milionime de secundă pe un ceas prin satelit GPS ar putea să vă pună un sfert de milă de la curs.
Din fericire, ceasurile atomice de pe sateliții GPS, datorită stabilității lor incredibile și sincronizării regulate, mențin o eroare de mai puțin de 1 miliardime de secundă.
astăzi, cele mai bune ceasuri la care lucrează oamenii de știință pot face chiar mai bine-de peste un milion de ori mai bine prin unele măsuri. Aceste ceasuri absurd de bune pot permite noi aplicații la fel de inimaginabile ca GPS-ul cândva, variind de la prezicerea cutremurelor până la descoperirea unei fizici complet noi.
cu toate acestea, nu toate ceasurile de înaltă performanță sunt egale-există o serie de modele, iar unele Ceasuri de ultimă generație sunt mai potrivite pentru anumite aplicații decât altele. Pentru a înțelege de ce-și pentru a înțelege performanța unui ceas mai general-trebuie mai întâi să înțelegem două concepte de bază în statistici: precizie și acuratețe.
săgeți și căpușe de ceas
Imaginați-vă un arcaș care a tras zece săgeți. În acest scenariu, precizia este o măsurare a pozițiilor săgeților una față de cealaltă, iar precizia este o măsurare a pozițiilor lor față de țintă. Un arcaș precis nu este neapărat unul precis și invers.
drepturi de autor Institutul American de Fizică (retipărire informații)
precizia unui arcaș este analogă unui concept numit stabilitatea ceasului. Dacă cineva se gândește la fiecare bifă a ceasului ca la o lovitură și lovind ținta ca păstrând exact momentul potrivit între fiecare bifă, atunci un ceas precis, dar nu precis, ar bifa în mod constant fie mai lent, fie mai rapid decât timpul dorit. Pe de altă parte, un ceas precis, dar imprecis, ar bifa uneori mai repede și alteori mai lent, dar erorile acumulate ar fi în medie oarecum în timp.”există o mulțime de aplicații care au nevoie doar de o stabilitate foarte bună, iar apoi există o serie de aplicații în care doar stabilitatea nu este suficientă și aveți nevoie și de precizie”, a spus Andrew Ludlow, fizician de la Institutul Național de standarde și Tehnologie din Boulder, Colorado.
sistemele de telecomunicații și navigație necesită, în general, Ceasuri stabile, dar nu trebuie să fie foarte precise, a spus el. Pe de altă parte, ceasurile atomice pe care fizicienii le folosesc pentru a defini un al doilea trebuie să fie cu adevărat exacte.
o neclaritate naturală
în prezent, stabilitatea ceasurilor este în general limitată de agățări experimentale, cum ar fi tehnologiile laser în ceasurile optice. Dar să presupunem că putem construi un ceas fără limitări tehnologice, va exista încă o instabilitate fundamentală asociată ceasului, legată de legile fizicii cuantice, date de această ecuație.
în partea stângă, avem stabilitatea, care este liberă de unitate, ca într-o valoare de 0 în valoare de 0.1 ar însemna o incertitudine de zece la sută pentru măsurarea dvs. Această stabilitate este determinată de parametrii din partea dreaptă, așa cum este descris mai jos.
- XV: frecvența de „bifare” a sursei de cronometrare măsurată în cicluri pe secundă sau hertz (Hz). Pentru un atom de cesiu – 133 care emite radiații cu 9.192.631.770 cicluri în fiecare secundă, numărul ar fi de 9.192.631.770 Hz;
- N: numărul de „cronometrori”, de exemplu numărul total de atomi de cesiu folosiți de ceas;
- t: timpul ciclului, care este lungimea fiecărei măsurători pentru un număr predeterminat de” căpușe”, în funcție de designul ceasului. De exemplu, dacă un ceas este proiectat pentru a înregistra un punct de date în fiecare secundă, atunci t este pur și simplu 1 secundă.
- m: Numărul total de măsurători în timpul experimentului. De exemplu, dacă durata experimentului este de un minut, iar ceasul înregistrează un punct de date în fiecare secundă, atunci m va fi 60.
acum, hai să testăm asta cu niște numere. Pentru un ceas care păstrează timpul prin măsurarea unui fenomen cuantic care apare de o mie de trilioane de ori în fiecare secundă, 015 Hz ar fi 1015 Hz, iar dacă contează o secundă de fiecare dată când sondează fenomenul, atunci T ar fi 1 secundă. Pentru N putem presupune valoarea de 1.000, iar pentru m putem folosi 86.400, numărul total de secunde într-o zi.
pentru o măsurare de o zi, incertitudinea legată de stabilitate a ceasului nostru teoretic ar fi (1,71 x 10-20) x 86.400 s = 1.5 x 10-15 s, sau 1,5 femtosecunde.
deoarece această neclaritate naturală a ceasului este direct legată de designul ceasului, se poate, în teorie, să îmbunătățim stabilitatea făcând numitorul cât mai mare posibil. Acest lucru se poate face prin alegerea de a măsura un fenomen natural care are loc la o frecvență foarte mare și regulată, ceea ce duce la un procent mai mare, sau pentru a măsura mai multe surse simultan, ceea ce duce la un N.
fiecare dintre aceste alegeri prezintă propriile sale provocări tehnologice unice, care uneori vă aduc în contradicție cu celălalt diavol în detaliu-precizie.spre deosebire de ecuația universală pentru calcularea nivelului de zgomot cuantic care dictează stabilitatea unui ceas, precizia unui ceas-sau cu alte cuvinte cât de aproape se potrivește cu așteptările-poate fi afectată de o listă nesfârșită de interacțiuni cu mediul său.
ce este greșit în a defini o zi ca… o zi?
o secundă este definită în prezent ca durata a 9.192.631.770 perioade ale radiației cu microunde dintr-o tranziție specifică a unui electron care plutește în interiorul unui atom de cesiu-133 la o temperatură de 0 K.
Ce definiție stângace, ați putea crede. Cum se face că nu putem defini al doilea mai intuitiv, ca într-o șaizecime de minut, care este o șaizecime de oră, care este o douăzeci și patrulea de zi, care este definită de o rotație completă a Pământului?oricât de pedant ar părea, durata unei zile pe Pământ nu este suficient de consistentă pentru aplicațiile științifice și tehnologice moderne. De fiecare dată când are loc un cutremur, un meteorit sau chiar un baraj nou construit, durata unei zile a Pământului s-ar schimba cu o fracțiune de secundă. De exemplu, forța mareelor lunii ne prelungește ziua cu câteva nanosecunde în fiecare zi.
„câmpurile magnetice și câmpurile electrice, de exemplu, pot perturba rata de bifare a ceasului, dar efectul depinde de detaliile ceasului”, a spus Ludlow. „Putem veni cu modele pentru a încerca să înțelegem cum influențează ceasurile, dar nu sunt universale în niciun fel.”
barajul factorilor externi care pot face ca un ceas super sensibil să se deplaseze mai repede sau mai lent în timp poate, la prima vedere, să pară o pacoste. Dar dacă putem înțelege aceste efecte destul de bine, ele dețin de fapt cheia către noi lumi de aplicații.
ceasul inexact al unui om este comoara altui om
Călătorind cu aproximativ 8.700 mph pe cerul nostru, sateliții GPS se mișcă suficient de repede pentru ca teoria relativității speciale a lui Einstein să aibă un efect vizibil asupra ceasurilor lor, încetinindu-le cu 7 microsecunde în fiecare zi.
cu toate acestea, deoarece călătoresc la o altitudine de peste 12.000 de mile, gravitația mai mică experimentată de sateliții GPS determină, de asemenea, ceasurile să accelereze 45 de microsecunde în fiecare zi, așa cum a prezis, ați ghicit, Einstein din nou. De data aceasta prin teoria relativității generale.
iată, în comparație cu ceasurile de pe Pământ, ceasurile de la bordul sateliților GPS accelerează într – adevăr cu (45-7) = 38 microsecunde. Fiecare. Singur. Zi.
deoarece aceste ceasuri sunt suficient de bune pentru a lua în considerare efectele factorilor externi, cum ar fi o schimbare a gravitației, le putem folosi pentru a măsura aceste efecte-la fel ca modul în care arcașii profesioniști pot spune în ce direcție bate vântul uitându-se unde au aterizat săgețile lor.
de exemplu, o rețea de Ceasuri super stabile ar trebui să poată detecta undele gravitaționale la frecvențe inaccesibile interferometrelor laser, în prezent singurul instrument suficient de sensibil la aceste mici valuri prin spațiu-timp. Un ceas cu o stabilitate de 10-20 ar putea oferi detectoarelor gravitaționale bazate pe spațiu planificate o alergare pentru banii lor. Un ceas de înaltă performanță poate fi, de asemenea, capabil să simtă mici schimbări gravitaționale adânci în subteran, care semnalează condiții coapte pentru un cutremur sau erupție vulcanică.
oamenii de știință folosesc deja aceste Ceasuri super stabile și precise pentru a căuta o fizică complet nouă. De exemplu, ei testează dacă constantele fundamentale sunt într-adevăr constante și oferă noi căi pentru a investiga puzzle-ul de zeci de ani al materiei întunecate și al energiei întunecate.
Nota editorului (12 septembrie 2019): această poveste a fost editată pentru a corecta Locația biroului NIST unde lucrează Andrew Ludlow.