นักฟิสิกส์ได้พัฒนานาฬิกาอะตอมอย่างแม่นยำจนสามารถปิดได้ในเวลาไม่ถึงวินาทีใน 14 พันล้านปี ความแม่นยำและความแม่นยำแบบนั้นทำให้มันเป็นมากกว่านาฬิกา เป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ทรงพลังที่สามารถวัดคลื่นความโน้มถ่วงวัดรูปร่างความโน้มถ่วงของโลกและอาจตรวจจับสสารมืด
พวกเขาทำได้อย่างไร
นักฟิสิกส์ที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติกล่าวว่านาฬิกาอะตอมใหม่ของพวกเขาขึ้นอยู่กับธาตุอิตเทอร์เบียมธาตุหายาก พวกเขาใช้กริดของลำแสงเลเซอร์ที่เรียกว่า lattice แบบออปติคัลเพื่อดักจับอะตอม 1000 อิตเทอร์เบียม อะตอมจะ“ ติ๊ก” ตามธรรมชาติโดยการสลับระหว่างสองระดับพลังงาน การกระทำนั้นเรียกว่าการเปลี่ยนอะตอมของอิเล็กตรอนและใช้เวลาเป็นนาโนวินาทีในการเกิดขึ้น ทุกครั้งที่พวกมันทำเครื่องหมายหรือเปลี่ยนระดับพลังงานอิเล็กตรอนปล่อยพลังงานไมโครเวฟซึ่งสามารถตรวจจับได้ นักฟิสิกส์ของ NIST ได้สร้างนาฬิกาอิทเทอเรียมสองตัวและจากการเปรียบเทียบพวกมันทำให้พวกเขาได้รับประสิทธิภาพสูงสุด
ประสิทธิภาพการทำลายสถิตินี้วัดได้สามวิธี:
- ความไม่แน่นอนของระบบ: นี่คือวิธีที่นาฬิกาแสดงให้เห็นถึงการสั่นสะเทือนตามธรรมชาติของอะตอมอิตเทอร์เบียม นาฬิกาอิตเทอร์เบียมถูกปิดเพียงหนึ่งในพันล้านจากหนึ่งพันล้านเท่านั้น
- ความเสถียร: นี่คือความถี่ของการเปลี่ยนแปลงนาฬิกาในเวลาที่กำหนด ในกรณีนี้พวกเขาวัดค่านาฬิกาอิตเทอร์เบียมและเปลี่ยนแปลงเพียง 0.00000000000000000032) ต่อวัน
- ความสามารถในการทำซ้ำ: นี่เป็นการวัดว่านาฬิกาอิตเทอร์เบียมสองตัวนั้นมีความถี่เท่ากันในความถี่เดียวกัน ในการเปรียบเทียบ 10 ครั้งระหว่างคู่ของนาฬิกาความแตกต่างนั้นน้อยกว่าหนึ่งพันล้านจากหนึ่งพันล้านครั้ง
“ ความไม่แน่นอนเชิงระบบความเสถียรและความสามารถในการทำซ้ำนั้นถือได้ว่าเป็น“ ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าสำหรับนาฬิกาเหล่านี้” Andrew Ludlow หัวหน้าโครงการกล่าว “ ข้อตกลงของนาฬิกาทั้งสองในระดับที่ไม่เคยปรากฏมาก่อนซึ่งเราเรียกว่าการทำซ้ำอาจเป็นผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวเพราะมันต้องการและให้ผลอีกสองประการที่สำคัญ”
Einstein แสดงให้เราเห็นว่าเวลาที่ผ่านไปนั้นแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงของคุณด้วย การติ๊กของอะตอมในนาฬิกาอะตอมจะช้าลงเมื่อสังเกตด้วยแรงโน้มถ่วงที่แรงขึ้น บนยอดเขา ยกตัวอย่างเช่น Everest เวลาเคลื่อนไหวเร็วกว่าที่ด้านล่างของร่องลึกบาดาลมาเรียนา นั่นเป็นเพราะที่นี่บนโลกพลังแห่งแรงโน้มถ่วงกระจุกตัวอยู่ที่ใจกลางของโลก ยิ่งคุณอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งมีแรงโน้มถ่วงน้อยลงเท่านั้น เอฟเฟกต์ไม่ดีบางทีอาจเป็นเพียงหนึ่งในพันของวินาที แต่มันอยู่ที่นั่น ดูเหมือนว่าจะเป็นวิธีที่ต่อต้านได้ง่าย แต่นั่นคือสิ่งที่ Einstein แสดงให้เห็นและเขาได้รับการพิสูจน์แล้วว่าถูกต้อง
สิ่งที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับนาฬิกาอะตอมใหม่นี้คือมันแสดงให้เห็นถึงการทำซ้ำได้หมายความว่าข้อผิดพลาดของนาฬิกาอยู่ต่ำกว่าความสามารถของเราในการตรวจจับผลของแรงโน้มถ่วงตามเวลาที่นี่บนโลก
นักฟิสิกส์ NIST Andrew Ludlow อธิบายเช่นนี้: "... ความสามารถในการทำซ้ำที่แสดงให้เห็นว่านาฬิกาข้อผิดพลาดโดยรวมลดลงต่ำกว่าความสามารถทั่วไปของเราในการอธิบายผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่ตรงเวลาบนโลกใบนี้ ดังนั้นเมื่อเรามองเห็นนาฬิกาเช่นนี้ถูกใช้ทั่วประเทศหรือโลกประสิทธิภาพสัมพัทธ์ของพวกมันจะเป็นครั้งแรกที่ถูก จำกัด โดยผลกระทบความโน้มถ่วงของโลก "
นักฟิสิกส์กล่าวว่าขณะนี้เรามีนาฬิกาที่มีความแม่นยำมากกว่าผลของแรงโน้มถ่วงตรงเวลาเราสามารถใช้นาฬิกาเพื่อวัดรูปร่างแรงโน้มถ่วงของโลก วิธีการปกติในการวัดรูปร่างความโน้มถ่วงของโลกคือการวัดกระแสน้ำ มาตรวัดน้ำขึ้นน้ำลงที่วางอยู่ทั่วโลกถูกนำมาใช้ แต่ความแม่นยำของมันนั้นมีเพียงไม่กี่เซนติเมตร นาฬิกาใหม่สามารถลดความแม่นยำลงเหลือน้อยกว่าหนึ่งเซ็นติเมตร
ในความเป็นจริงนาฬิกา ytterbium เหล่านี้สามารถใช้ในการวัดมากกว่ารูปร่างความโน้มถ่วงของโลก สามารถใช้วัดเวลาอวกาศและตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากเอกภพยุคแรกได้ เป็นไปได้ว่าพวกเขาสามารถวัดสสารมืดได้ ที่ระดับความแม่นยำและความแม่นยำเครื่องมือนี้เป็นมากกว่านาฬิกา
ไม่เพียง แต่มีแรงโน้มถ่วงเท่านั้นที่สามารถส่งผลต่อนาฬิกาเช่นนาฬิกาอิตเทอร์เบียม ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมอื่น ๆ อาจรบกวนความแม่นยำของอุปกรณ์ พวกเขาจะต้องเก็บความเย็นและพวกเขาจะต้องแยกออกจากสนามไฟฟ้าหลงทางใด ๆ นาฬิกาใหม่นี้ถูกหุ้มด้วยไฟฟ้าและเอฟเฟกต์ความร้อนเพื่อให้สามารถนำมาพิจารณาและแก้ไขได้
ด้วยการปรับปรุงเช่นระบบป้องกันไฟฟ้าและความร้อนนักฟิสิกส์กำลังสร้างนาฬิกาอิทเทอเรียมพกพาที่สามารถเคลื่อนย้ายไปยังห้องแล็บต่างๆเพื่อวัดและเปรียบเทียบนาฬิกาอื่น ๆ พวกเขายังสามารถย้ายไปยังที่อื่น ๆ เพื่อศึกษาเทคนิคมาตรวิทยาเชิงสัมพัทธภาพ นี่จะเป็นตัวเปลี่ยนเกมเนื่องจากปัจจุบันนาฬิกาอะตอมที่ดีที่สุดของเราคือขนาดห้องเรียกว่า "นาฬิกาน้ำพุ" ซึ่งใช้อะตอมซีเซียมเพื่อกำหนดวินาที
แต่นั่นอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงกับนาฬิกาใหม่
นาฬิกาอะตอมก่อนหน้านี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบซีเซียมซึ่งจนถึงปัจจุบันมีการจับเวลาที่แม่นยำที่สุด การสั่นสะเทือนของอะตอมซีเซียมถูกนำมาใช้ตั้งแต่ปี 1960 เพื่อกำหนดระยะเวลาของวินาทีเดียวในระบบนานาชาติของหน่วย (ISU) แต่ด้วยการพัฒนานาฬิกาอิตเทอร์เบียมเวลาของ caesium อาจเพิ่มขึ้น
นาฬิกาซีเซียมแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1955 และตั้งแต่นั้นมาก็เป็นมาตรฐานทองคำ คำจำกัดความอย่างเป็นทางการของวินาทีหากคุณสนใจมีการใช้มาตั้งแต่ปี 1967 กล่าวว่า:“ วินาทีคือระยะเวลาของ 9 192 631 770 ช่วงเวลาของการแผ่รังสีที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับไฮเพอร์ฟินสองระดับของพื้นดิน สถานะของอะตอมซีเซียม 133” จากนั้นในปี 1997 พวกเขาชี้แจงว่าหมายถึงซีเซียมต้องอยู่ที่ 0 เคลวิน
นาฬิกาอะตอมอื่นถูกสร้างขึ้นโดยใช้รูบิเดียมซึ่งสามารถพกพาได้ พวกเขาไม่แม่นยำเท่ากับซีเซียม แต่ก็ดีพอสำหรับแอปพลิเคชันเช่น GPS สถานีฐานโทรศัพท์มือถือและสำหรับควบคุมความถี่ของสถานีโทรทัศน์ แต่ด้วยการพัฒนานาฬิกาอะตอมใหม่โดยใช้อะตอมอิตเทอร์เบียมเราอาจมีสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งโลก: ความแม่นยำทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่เคยมีมาก่อนและการพกพา
นาฬิกาอะตอม ytterbium ใหม่เป็นตัวเลือกชั้นนำในการนิยามคำจำกัดความใหม่ของคำว่า ling หนึ่งวินาที นั่นเป็นเพราะมันตรงตามเกณฑ์ความแม่นยำที่กำหนดโดยระบบสากลของหน่วย ร่างกายนั้นกล่าวว่าคำจำกัดความใหม่ใด ๆ จะต้องมีการปรับปรุงความถูกต้องที่ตรวจสอบได้มากกว่า 100 เท่าของนาฬิกาซีเซียมปัจจุบันที่ใช้เพื่อกำหนดวินาที
เราเคยกำหนดเวลาด้วยการหมุนของโลก แต่เรามาไกลตั้งแต่นั้นมา นาฬิกาอะตอมที่ใช้อัตราติ๊กของธาตุหายากเพื่อวัดรูปร่างความโน้มถ่วงของโลกคลื่นความโน้มถ่วงจากจักรวาลยุคแรกและบางทีสสารมืดอาจเป็นสิ่งที่มนุษย์ในอดีตไม่เคยถ่ายเมื่อติดอยู่ใน พื้นดินเพื่อให้ดวงอาทิตย์หมุน
- ข่าวประชาสัมพันธ์: นาฬิกาอะตอม NIST ทำให้มีเวลาเพียงพอในการปรับปรุงแบบจำลองของโลก
- รายงานการวิจัย: ประสิทธิภาพของนาฬิกาอะตอมเกินขีด จำกัด ทางภูมิศาสตร์
- ข่าว MIT: การจับเวลาด้วยอะตอมในระหว่างการเดินทาง
- Wikipedia: นาฬิกาอะตอม
- วิกิพีเดีย: มาตรฐานแมกนีเซียม
- Wikipedia: การเปลี่ยนอะตอมของอิเล็กตรอน
