A legtöbb óra, amelyet az emberek időmérésre használnak, havonta 10-15 másodpercen belül pontos. A puccos mechanikus órák (mint például egy Rolex) ennél többet tévednek – naponta egy-két másodpercet. A tudósoknak ennél sokkal pontosabb és precízebb dologra van szükségük, mert az általuk mért jelenségek gyakran csak a másodperc milliárdodrészéig tartanak.
Ez az atomóra. Az első pontos változat 1955-ben készült el. Az atomórák úgy tartják az időt, hogy mérik az atomok rezgéseit, ahogy azok energiaállapotot váltanak. Minden elemnek van egy jellegzetes frekvenciája vagy frekvenciakészlete, és mivel az atom másodpercenként több milliárdszor “dobog”, az ilyen órák nagyon pontosak. A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetben a “hivatalos” másodperc egy céziumatom 9 192 631 770 ciklusa. (Az órában lévő kvarc másodpercenként körülbelül 32 000-szer rezeg, ami mintegy 290 000-szer lassabb, mint a céziumatomoké.)
A tudósok az atomórákról a stabilitás és a pontosság szempontjából beszélnek. Egy atomóra esetében a pontosság azt jelenti, hogy mennyire jól méri az atomok rezgéseit. Két óra összehasonlításával a tudósok meg tudják mérni az adott frekvencia leolvasásának bizonytalanságát, vagyis azt, hogy mennyire pontos egy óra. A stabilitás azt jelenti, hogy az óra ketyegése egy adott idő alatt mennyire változik. Ha nagyszámú, mondjuk 100 000 ketyegést átlagolunk, akkor egy olyan számot kapunk, amelyet az óra tényleges idejéhez mérhetünk. A tudósok általában a pontosságra hivatkoznak, amikor azt mondják, hogy egy óra olyan pontos, hogy évmilliók alatt egy másodpercet nyer vagy veszít. Amikor pontosságról beszélnek, a tudósok általában arra utalnak, hogy egy óra mennyire felel meg egy adott szabványos referenciának, tehát ebben az értelemben mindig az a legpontosabb óra, amellyel a szabványos másodpercet beállítják.
Tom O’Brian, a NIST Time & Frequency divíziójának vezetője többféle atomórát jegyzett meg: A standard másodperc meghatározásához használtak cézium atomokon alapulnak, de más típusok stronciumot, alumíniumot vagy higanyt használnak. Néhányan hidrogént használnak. A még nagyobb pontosság érdekében a legújabb atomórák szuperhűtik a bennük lévő atomokat, hogy kiküszöböljék a környezeti hő okozta zavarokat.
Az atomórák legnagyobb vásárlója, a távközlési ipar az üvegszálas optikai kapcsolók és a mobiltelefon-tornyok szinkronizálására alkalmazza őket, mondta O’Brian. Az atomórákat a GPS-rendszerben is használják, hogy pontosan mérjék a jelek időzítését, és jelezzék a műholdakhoz viszonyított helyzetünket.
Ezek a valaha épített legpontosabb órák, de O’Brian megjegyezte, hogy a technológia folyamatosan fejlődik, és a tudósok egyre pontosabb időméréseket próbálnak készíteni.
1. A NIST F2
Ez az óra, amelyet először 2014-ben állítottak üzembe, elődjével, a NIST F1-gyel együtt segít meghatározni a szabványos másodpercet, amelyet a tudósok világszerte használnak. A NIST F2 a távközlést, sőt a pénzpiaci kereskedelmet is szinkronizálja a hivatalos napszakra vonatkozóan. Az óra hat lézerrel hűti az atomokat (körülbelül 10 millió darabot), míg egy másik lézerpár óvatosan felfelé emeli az atomokat egy mikrohullámú sugárzással töltött kamrában. A legtöbb atom állapotát megváltoztató sugárzás frekvenciája az, amit a NIST a másodpercek meghatározásához használ. pontosságát részben annak köszönheti, hogy az óra mínusz 316 Fahrenheit-fokos (mínusz 193 Celsius-fokos) hidegben működik; a hideg körülmények segítenek megvédeni a céziumatomokat a kóborhőtől, amely megváltoztathatná az atomok rezgéseinek mérését. Ez az óra körülbelül 300 millió évente egyszer nyer vagy veszít egy másodpercet.
2. University of Tokyo/ RIKEN
A Hidetoshi Katori által vezetett csapat által épített optikai rácsos atomóra. Lézersugarak közé csapdába ejtett és mínusz 292 F-ra (mínusz 180 C) lehűtött stroncium atomokat használ. Az optikai rácsos órák a csapdába esett atomok együttesének rezgéseit mérik, és így képesek a hibák átlagolására. A Nature Photonics című folyóiratban február 9-én közölt bizonytalanság 7,2 x 10^-18, ami körülbelül 4,4 milliárd évenként egy másodpercet jelent; a kutatók elmondták, hogy két azonos típusú órát tudtak futtatni, hogy ezt 2-re csökkentsék.0 x 10^-18-ra, vagyis körülbelül 16 milliárd évenként egy másodpercre.
3. A NIST / JILA stronciumóra
A NIST és a boulderi Colorado Egyetem közös intézete, a JILA olyan stronciumrácsos órát épített, amely 5 milliárd évenként 1 másodperces pontosságot ért el. A Jun Ye fizikus által vezetett csapat 2014-ben publikálta munkáját, és az eredményeket úgy ellenőrizték le kétszeresen, hogy az órájukat egy másik, ugyanilyen órával összevetették. O’Brian elmondta, hogy a NIST egy újabb órakísérletet tervez, hogy ezt még tovább vigye, hogy túlteljesítse a Katori csapata által Japánban épített óra stabilitását. Az óra úgy működik, hogy a stronciumatomokat lézerrel csapdába ejtik egyfajta palacsinta alakú térben. Egy bizonyos frekvenciára hangolt vörös lézerfény az atomokat az energiaszintek között ugrálásra készteti, és ezek az ugrások adják a “ketyegéseket” – másodpercenként mintegy 430 billiót.
4. Az alumínium kvantumlogikai óra
A NIST nem csak stroncium- és céziumatomokat használ. A NIST 2010-ben olyan atomórát épített, amely egy alumíniumatomot használt, 3,7 milliárd évenként egy másodperc pontossággal. Ez egy mágneses mezőben csapdába ejtett alumíniumatomot használ egyetlen berilliumatommal együtt. A két atomot lézerrel közel abszolút nullára hűtik. Egy másik lézert arra a frekvenciára hangolnak, amely az alumíniumot állapotváltásra készteti. Az alumínium állapotát azonban nehéz pontosan mérni, ezért az alumíniumot a berilliumatomhoz kapcsolják. Ez egy hasonló folyamat, mint amit a kvantumszámítógépeknél használnak.
5. A Shortt-szinkronóm mechanikus óra
Az atomórák kapják a dicsőséget, de O’Brian szerint mielőtt ezek megjelentek volna, a tudósoknak még mechanikus órákat kellett használniuk – és néhányuk elég pontos volt. Az 1921-ben feltalált Shortt-óra az obszervatóriumok standard tudományos műszere volt, amíg az atomórák fel nem váltották. Az óra valójában egy kettős rendszer volt, amely egy vákuumtartályban lévő ingából állt, amelyet elektromos vezetékek kötöttek össze. A másodlagos óra 30 másodpercenként elektromos impulzust küldött az elsődleges órának, hogy a kettő szinkronban maradjon, a vákuumban lévő inga pedig nikkel- és vasötvözetből készült, hogy csökkentse a hőtágulást, amely megváltoztatná az inga hosszát és így a lengését. Az óra olyan pontos, hogy az inga segítségével a Nap és a Hold gravitációs hatásait is meg lehet mérni, és ez a műszer volt az, amely kimutatta, hogy a Föld forgása valójában nem egyenletes. Az amerikai haditengerészeti obszervatóriumban az 1980-as években végzett tesztek azt mutatták, hogy az óra pontossága 1 másodperc körülbelül 12 év alatt.
Újabb hírek