Træt af at dine armbåndsure mister tid efterhånden som årene går? Et nyt atomur, som er det mest nøjagtige nogensinde, bruger ytterbiumatomer og lasere til præcist at definere et sekund. Billede via Flickr-bruger Earls37a
Hvis uret på dit håndled løb langsomt med fem minutter i løbet af et år, ville du sandsynligvis ikke synes noget om det. Men forskere og ingeniører er afhængige af ultra-nøjagtige atomur til en række anvendelser, og jakten på stadig mere nøjagtige ure er gået i årtusinder.
Nu har en gruppe forskere ledet af Andrew Ludlow fra National Institute of Standards and Technology sat søjlen højere end nogensinde. Deres nyeste atomur, der blev afsløret i går, forventes at blive unøjagtig med en mængde på 1, 6 sekunder efter at have kørt i alt 10 18 sekunder - eller med andre ord, den mister et helt sekund i løbet af omkring 50, 8 milliarder år .
I papiret, der beskrev deres ur, leverede forskerne et par analogier til dette nøjagtighedsniveau: "svarer til at specificere det kendte universs alder til en præcision på mindre end et sekund, " skrev de, "eller Jordens diameter til mindre end bredden af et atom. ”
Som alle ure holder atomurene konstant tid ved at basere varigheden af et sekund fra en fysisk begivenhed, der sker med regelmæssighed. Mens mekaniske ure bruger svingning af en pendul for at opretholde tid, bruger atomur en mekanisme, der opstår med endnu mere regelmæssighed: den specifikke lysfrekvens, der er nødvendig for at få et atom til at svinge mellem to energitilstander (specifikt at gå fra en jordtilstand til en ophidset tilstand), som altid er en ensartet værdi. For eksempel er den nuværende internationale standard, der definerer varigheden af et sekund, 919.631.770 cyklusser af mængden af mikrobølgestråling, der får cæsiumatomer til at svinge mellem de to energistater og i processen udsender det mest mulige lys.
Et par faktorer kan imidlertid fordreje selv de mest omhyggelige målinger af denne frekvens. Hvad forskerne bag dette nye ur har gjort, er at skabe et innovativt design (ved hjælp af et andet element), der minimerer disse forvrængninger mere end noget ur før.
Deres design, kaldet et "optisk gitterur", fælder ytterbiumatomer inde i en gitterkasse med laserstråler. Holdes på plads bombarderes atomerne af en anden type laser, der tvinger deres elektroner til at springe op i energiniveau. En sensor kontrollerer for at sikre, at alle atomer når det højere energiniveau, og den nøjagtige lysfrekvens, der er nødvendig for at tvinge dem til det, konverteres derefter til den nøjagtige længde af et sekund.
Normalt kan enhver let fysisk bevægelse af atomerne, når de bombarderes, føre til subtile ændringer i frekvensen af lys, der er nødvendigt for at hæve deres energiniveau (et resultat af Doppler-skift), hvorved urets nøjagtighed fjernes. Men som beskrevet i MIT Technology Review, hvor nyhederne om uret først blev offentliggjort, holder boksen med laserstråler "atomerne i et skruelignende greb, der minimerer alle Doppler-effekter." Derudover fælder gitteret et relativt stort antal af atomer (mellem 1.000 og 1.000.000) sammenlignet med de fleste atomur, så gennemsnittet af den stråling, der er nødvendig for at hæve hver af disse til det højere energiniveau, giver en mere nøjagtig værdi af strålingen nøjagtige frekvens, som derefter bruges til at indstille tid.
Sammenlignende to sådanne ure sammen fandt forfatterne noget bemærkelsesværdigt - hvert "kryds" måler tidsintervaller så perfekt, at et ur kun vil halde bag den sande tid med en tiendedel af et sekund, når vores sol indhyller jorden, når den udvikler sig til en rød kæmpe omkring 5 milliarder år fra nu.
Dette nye ur - og den gradvise forfining af atomur som helhed - kan virke som en rent akademisk forfølgelse, men i virkeligheden er der masser af meget nyttige anvendelser af teknologien. Tag for eksempel appen "maps" på din telefon. Uden muligheden for tæt at synkronisere ure over store afstande ville GPS-systemet ikke være i stand til at arbejde, fordi det er afhængig af den nøjagtige sammenligning af den tid det tager signaler at rejse fra flere forskellige satellitter til din GPS-aktiverede enhed.
Fremtidige forfølgelser, der kunne bruge dette nyeste fremskridt inden for atomurteknologi, kunne falde inden for videnskaben om geodesi, der forsøger at præcist måle små ændringer i Jordens form og dens tyngdefelt over tid. Alle ure tikker uendeligt langsommere ved havoverfladen end ved en kilometer høj, fordi tyngdekraften er stærkere, når den er tættere på Jorden. I øjeblikket, med de mest sofistikerede atomur, kan denne forskel i hastighed kun måles, når højden ændres med tusinder af fødder, men med det nye ur, kan de detekteres, når uret hæves eller sænkes med kun en centimeter, hvilket gør systemet potentielt nyttigt til måling af små ændringer i gletsjertykkelse eller højde opnået af bjergkæder over tid, når tektoniske plader kolliderer.
