Varför Behöver Vi Super Exakta Atomklockor?
(Inside Science) – GPS-mottagaren i din bil eller mobiltelefon fungerar genom att lyssna på satelliter som sänder sin tid och plats. När mottagaren har ”förvärvat” fyra satelliter kan den beräkna sin egen position genom att jämföra signalerna. Eftersom signalerna sänds med mikrovågor som färdas med ljusets hastighet, kan ett fel på en miljondels sekund på en GPS-satellitklocka sätta dig en kvart mil ur kurs.
lyckligtvis, atomklockorna på GPS-satelliter, på grund av deras otroliga stabilitet och regelbunden synkronisering, upprätthålla ett fel på mindre än 1 miljarddels sekund.
idag arbetar de bästa klockorna forskare kan göra ännu bättre-mer än en miljon gånger bättre av vissa åtgärder. Dessa absurd bra Klockor kan möjliggöra nya applikationer så otänkbara som GPS en gång var, allt från att förutsäga jordbävningar för att upptäcka helt ny fysik.
men inte alla högpresterande klockor är lika-det finns en rad olika mönster, och vissa state-of-the-art klockor är bättre lämpade för särskilda tillämpningar än andra. För att förstå varför-och för att förstå klockans prestanda mer generellt-måste vi först förstå två grundläggande begrepp i statistik: precision och noggrannhet.
pilar och klockmarker
Föreställ dig en bågskytt som har skjutit tio pilar. I detta scenario är precision ett mått på pilarnas positioner i förhållande till varandra och noggrannhet är ett mått på deras positioner i förhållande till bullseye. En exakt bågskytt är inte nödvändigtvis en exakt, och vice versa.
Copyright American Institute of Physics (nytryck information)
precisionen hos en bågskytt är analog med ett koncept som kallas klockstabilitet. Om man tänker på varje klocka som ett skott och slår bullseye som att hålla exakt rätt tid mellan varje tick, skulle en exakt men inte exakt klocka konsekvent kryssa antingen långsammare eller snabbare än önskad tid. Å andra sidan skulle en exakt men oprecis klocka kryssa ibland snabbare och ibland långsammare, men de ackumulerade felen skulle i genomsnitt ut något över tiden.
”det finns många applikationer som bara behöver riktigt bra stabilitet, och sedan finns det en rad applikationer där bara stabilitet inte räcker, och du behöver också noggrannhet”, säger Andrew Ludlow, en fysiker från National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado.
telekommunikations-och Navigationssystem kräver i allmänhet stabila klockor, men de behöver inte vara mycket exakta, sa han. Å andra sidan måste atomklockor som fysiker använder för att definiera en sekund också vara riktigt exakta.
en naturlig fuzziness
För närvarande är klockans stabilitet i allmänhet begränsad av experimentella hängningar, såsom laserteknik i optiska klockor. Men låt oss säga att vi kan bygga en klocka utan tekniska begränsningar, det kommer fortfarande att finnas en grundläggande instabilitet i samband med klockan, bunden av kvantfysikens lagar, som ges av denna ekvation.
på vänster sida har vi stabiliteten, som är enhetsfri, som i ett 0-värde på 0.1 skulle innebära en osäkerhet på tio procent för din mätning. Denna stabilitet bestäms av parametrarna på höger sida, som beskrivs nedan.
- 7: den” tickande ” frekvensen för tidtagningskällan mätt i cykler per sekund, eller hertz (Hz). För en cesium-133-atom som ger ut strålning med 9 192 631 770 cykler varje sekund skulle antalet vara 9 192 631 770 Hz;
- N: antalet ”tidtagare”, till exempel det totala antalet cesiumatomer som används av klockan;
- t: cykeltiden, som är längden på varje mätning för ett förutbestämt antal ”fästingar” beroende på klockans design. Till exempel, om en klocka är utformad för att registrera en datapunkt varje sekund, är t helt enkelt 1 sekund.
- m: det totala antalet mätningar under experimentet. Till exempel, om experimentets längd är en minut och klockan registrerar en datapunkt varje sekund, blir m 60.
låt oss nu testa detta med några siffror. För en klocka som håller tiden genom att mäta ett kvantfenomen som inträffar tusen biljoner gånger varje sekund, skulle exporten vara 1015 Hz, och om den räknas i en sekund varje gång den sonderar för fenomenet, skulle t vara 1 sekund. För N kan vi anta värdet 1000, och för m kan vi använda 86 400, det totala antalet sekunder på en dag.
för en dag lång mätning skulle stabilitetsrelaterad osäkerhet för vår teoretiska klocka vara (1.71 x 10-20) x 86,400 s = 1.5 x 10-15 s, eller 1,5 femtosekunder.
eftersom denna naturliga fuzziness av klockan är direkt kopplad till klockans design, kan man i teorin fortsätta förbättra stabiliteten genom att göra nämnaren så stor som möjligt. Detta kan göras genom att välja att mäta ett naturfenomen som inträffar med en superhög och regelbunden frekvens, vilket leder till en större Xiaomi, eller att mäta fler källor samtidigt, vilket leder till en större N.
Var och en av dessa val presenterar sina egna unika tekniska utmaningar, som ibland ger dig i strid med den andra djävulen i detalj-noggrannhet.
Till skillnad från den universella ekvationen för att beräkna nivån av kvantbrus som dikterar en klockas stabilitet, kan en klockas noggrannhet-eller med andra ord hur nära dess tickande takt matchar förväntningarna-påverkas av en oändlig lista över interaktioner med sin miljö.
vad är fel med att definiera en dag som… en dag?
en sekund definieras för närvarande som varaktigheten av 9 192 631 770 perioder av mikrovågsstrålningen från en specifik övergång av en elektron som flyter inuti en cesium-133-atom vid en temperatur av 0 K.
vilken klumpig definition, kanske du tror. Varför kan vi inte definiera den andra mer intuitivt, som på en sextionde minut, som är en sextionde timme, som är en tjugofjärde dag, som definieras av en fullständig rotation av jorden?
så pedantisk som det kan tyckas är längden på en dag på jorden inte konsekvent nog för moderna vetenskapliga och tekniska tillämpningar. Varje gång det finns en jordbävning, eller en meteorstrejk, eller till och med en ny damm som byggs, skulle längden på en jorddag skiftas med en bråkdel av en sekund. Till exempel förlänger månens tidvattenkraft vår dag några nanosekunder varje dag.
”magnetfält och elektriska fält kan till exempel störa klockans tickhastighet, men effekten beror på klockans detaljer”, säger Ludlow. ”Vi kan komma med modeller för att försöka förstå hur de påverkar klockorna, men de är inte universella på något sätt.”
spärren av yttre faktorer som kan göra en superkänslig klocka snabbare eller långsammare över tiden kan vid första anblicken verka som en olägenhet. Men om vi kan förstå dessa effekter tillräckligt bra, håller de faktiskt nyckeln till helt nya applikationsvärldar.
en mans felaktiga klocka är en annan mans skatt
reser på ungefär 8,700 mph över vår himmel, GPS-satelliter rör sig tillräckligt snabbt för Einsteins teori om speciell relativitet för att få en märkbar effekt på sina klockor, saktar dem med 7 mikrosekunder varje dag.
men eftersom de reser i en höjd av mer än 12 000 miles, orsakar den lägre gravitationen som GPS-satelliter upplever också klockorna att påskynda 45 mikrosekunder varje dag, som förutsagt av, gissade du det, Einstein igen. Denna gång av hans teori om allmän relativitet.
se och se, jämfört med klockor på jorden, klockorna ombord GPS – satelliter faktiskt påskynda med (45-7) = 38 mikrosekunder. Varje. Enda. Dag.eftersom dessa klockor är tillräckligt bra för att vi ska kunna överväga effekterna av yttre faktorer som en förändring i tyngdkraften, kan vi använda dem för att mäta dessa effekter-precis som hur professionella bågskyttar kan berätta vilken väg vinden blåste genom att titta på var deras pilar landade.
till exempel bör ett nätverk av superstabila klockor kunna upptäcka gravitationsvågor vid frekvenser som är otillgängliga för laserinterferometrar, för närvarande det enda instrumentet som är tillräckligt känsligt för dessa små krusningar genom rymdtid. En klocka med en stabilitet på 10-20 skulle kunna ge de planerade rymdbaserade gravitationsdetektorerna en körning för sina pengar. En högpresterande klocka kan också känna av små gravitationsförändringar djupt under jord som signalförhållanden mogna för jordbävning eller vulkanutbrott.
forskare använder redan dessa superstabila och exakta klockor för att söka efter helt ny fysik. Till exempel testar de om grundläggande konstanter verkligen är konstanta och ger nya vägar för att undersöka det årtionden långa pusslet av mörk materia och mörk energi.
Redaktörens anteckning (September 12, 2019): denna berättelse har redigerats för att korrigera platsen för NIST-kontoret där Andrew Ludlow arbetar.