Useimmat kellot, joita ihmiset käyttävät ajan ilmoittamiseen, ovat 10 tai 15 sekunnin tarkkuudella kuukaudessa. Hienot mekaaniset kellot (kuten Rolex) poikkeavat enemmän – sekunnin tai kaksi joka päivä. Tutkijat tarvitsevat jotain paljon tarkempaa ja täsmällisempää, koska heidän mittaamansa ilmiöt kestävät usein vain sekunnin miljardisosia.
Tässä kohtaa atomikello tulee kuvaan. Ensimmäinen tarkka versio rakennettiin vuonna 1955. Atomikellot pitävät aikaa mittaamalla atomien värähtelyjä niiden vaihtaessa energiatilaa. Jokaisella alkuaineella on ominaistaajuus tai joukko taajuuksia, ja koska atomi ”sykkii” miljardeja kertoja sekunnissa, tällaiset kellot ovat hyvin tarkkoja. Kansallisessa standardointi- ja teknologiainstituutissa ”virallinen” sekunti on 9 192 631 770 cesiumatomin sykliä. (Kellon kvartsi värähtelee noin 32 000 kertaa sekunnissa, noin 290 000 kertaa hitaammin kuin cesiumatomit.)
Tutkijat puhuvat atomikelloista vakauden ja tarkkuuden kannalta. Atomikellon osalta tarkkuus on sitä, kuinka hyvin se mittaa atomien värähtelyjä. Vertailemalla kahta kelloa tutkijat voivat mitata epävarmuutta tuon taajuuden lukemisessa – kuinka tarkka kello on. Vakaus tarkoittaa sitä, kuinka paljon kellon tikit vaihtelevat tietyn ajan kuluessa. Kun lasket keskiarvon suuresta määrästä tikkejä, esimerkiksi 100 000:sta, saat luvun, jota voidaan verrata kellon todelliseen aikaan. Tutkijat viittaavat yleensä tarkkuuteen, kun he sanovat, että kello on niin tarkka, että se voittaa tai menettää sekunnin miljoonien vuosien aikana. Puhuessaan tarkkuudesta tutkijat viittaavat yleensä siihen, miten hyvin kello vastaa tiettyä standardiviitteistöä, joten tässä mielessä tarkin kello on aina se, jolla he asettavat standardisekunnin.
Tom O’Brian, NIST:n aika-& taajuusosaston päällikkö, totesi useita erilaisia atomikelloja: Se, jota käytetään standardisekunnin määrittämiseen, perustuu cesium-atomeihin, mutta muut tyypit käyttävät strontiumia, alumiinia tai elohopeaa. Jotkut käyttävät vetyä. Vielä paremman tarkkuuden saavuttamiseksi uusimmat atomikellot jäähdyttävät atomit superjäähdytyksellä, jotta ympäristön lämpö ei aiheuta häiriöitä.
O’Brian sanoi, että atomikellojen suurin ostaja, televiestintäala, käyttää niitä kuituoptisten kytkimien ja matkapuhelinmastojen synkronointiin. Atomikelloja käytetään myös GPS-järjestelmässä signaalien ajoituksen tarkkaan mittaamiseen ja oman sijainnin ilmoittamiseen suhteessa satelliitteihin.
Tässä on joitakin kaikkien aikojen tarkimpia kelloja, mutta O’Brian totesi, että tekniikka paranee koko ajan, ja tutkijat yrittävät valmistaa yhä tarkempia ajan mittauksia.
1. NIST F2
Tämä kello, joka otettiin käyttöön vuonna 2014, auttaa yhdessä edeltäjänsä NIST F1:n kanssa määrittämään standardisekunnin, jota tutkijat kaikkialla maailmassa käyttävät. NIST F2 synkronoi myös televiestinnän ja jopa kaupankäynnin rahoitusmarkkinoilla virallisen kellonajan. Kello käyttää kuuden laserin sarjaa jäähdyttämään atomeja (noin 10 miljoonaa atomia), kun taas toinen laserpari nostaa atomeja varovasti ylöspäin mikroaaltosäteilyllä täytetyssä kammiossa. NIST käyttää sekuntien määrittelyyn sen säteilyn taajuutta, joka muuttaa useimpien atomien tiloja. kellon tarkkuus johtuu osittain siitä, että se toimii miinus 316 celsiusasteen pakkasessa; kylmät olosuhteet auttavat suojaamaan cesiumatomeja hajalämmöltä, joka voisi muuttaa atomien värähtelyjen mittaustuloksia. Kello saa tai menettää sekunnin noin 300 miljoonan vuoden välein.
2. University of Tokyo/ RIKEN
Hidetoshi Katorin johtaman ryhmän rakentama optinen ristikkoatomikello. Se käyttää lasersäteiden väliin loukkuun jääneitä strontium-atomeja, jotka on jäähdytetty miinus 292 F:iin (miinus 180 C). Optiset ristikkokellot mittaavat loukkuun jääneiden atomien kokonaisuuksien värähtelyjä, joten mahdolliset virheet voidaan keskiarvoistaa. Sen epävarmuus, josta raportoitiin Nature Photonics -lehdessä 9. helmikuuta, on 7,2 x 10^-18 eli noin sekunti 4,4 miljardin vuoden välein; tutkijat kertoivat, että he pystyivät käyttämään kahta samantyyppistä kelloa saadakseen sen arvoksi 2.0 x 10^-18, eli noin sekunnin 16 miljardin vuoden välein.
3. NIST/JILA:n strontiumkello
NIST ja JILA, Coloradon yliopiston yhteinen laitos Boulderissa, rakensivat strontium-ristikkokellon, jolla saavutettiin yhden sekunnin tarkkuus 5 miljardin vuoden välein. Fyysikko Jun Ye:n johtama ryhmä julkaisi työnsä vuonna 2014 ja tarkisti tulokset kaksinkertaisesti vertaamalla kelloaan toiseen samanlaiseen kelloon. O’Brianin mukaan NIST suunnittelee toista kellokokeilua, jonka tarkoituksena on mennä vielä pidemmälle ja ylittää Katorin ryhmän Japanissa rakentaman kellon vakaus. Kello toimii vangitsemalla strontium-atomeja lasereilla eräänlaiseen pannukakun muotoiseen tilaan. Tiettyyn taajuuteen viritetty punainen laservalo saa atomit hyppimään energiatasojen välillä, ja nämä hypyt muodostavat ”tikit” – noin 430 biljoonaa joka sekunti.
4. Alumiininen kvanttilogiikkakello
NIST ei käytä vain strontium- ja cesiumatomeja. Vuonna 2010 NIST rakensi atomikellon, jossa käytettiin alumiiniatomia ja jonka tarkkuus oli sekunti 3,7 miljardia vuotta kohden. Tässä kellossa käytetään yhtä alumiiniatomia, joka on vangittu magneettikenttään yhdessä yhden berylliumatomin kanssa. Laserit jäähdyttävät nämä kaksi atomia lähes absoluuttiseen nollaan. Toinen laser viritetään taajuudelle, joka saa alumiinin vaihtamaan tilaa. Alumiinin tiloja on kuitenkin vaikea mitata tarkasti, joten alumiini kytketään berylliumatomiin. Tämä on samankaltainen prosessi kuin kvanttilaskentajärjestelmissä.
5. Shortt-Synkronomin mekaaninen kello
Atomikellot saavat kaiken kunnian, mutta O’Brian sanoi, että ennen niiden tuloa tiedemiehet joutuivat vielä käyttämään mekaanisia kelloja – ja jotkut niistä olivat varsin tarkkoja. Vuonna 1921 keksitty Shorttin kello oli observatorioiden tieteellinen vakioväline, kunnes atomikellot syrjäyttivät sen. Kello oli itse asiassa kaksoisjärjestelmä, joka koostui yhdestä tyhjiösäiliössä olevasta heilurista, joka oli yhdistetty toisiinsa sähköjohdoilla. Toissijainen kello lähetti 30 sekunnin välein sähköimpulssin ensisijaiseen kelloon varmistaakseen, että nämä kaksi pysyivät synkronoituina, ja tyhjiössä oleva heiluri oli tehty nikkeli- ja rautaseoksesta, jotta vähennettäisiin lämpölaajenemista, joka muuttaisi heilurin pituutta ja siten sen heilahdusta. Kello on niin tarkka, että sen heilureita voidaan käyttää auringon ja kuun aiheuttamien gravitaatiovaikutusten mittaamiseen, ja juuri tämä laite osoitti, että maapallon pyöriminen ei itse asiassa ollut tasaista. Yhdysvaltain laivaston observatoriossa 1980-luvulla tehdyt testit osoittivat, että kellon tarkkuus oli yksi sekunti noin 12 vuodessa.
Uudemmat uutiset