Most timepieces ludzie używają, aby powiedzieć czas są dokładne w ciągu 10 lub 15 sekund każdego miesiąca. Fantazyjne zegarki mechaniczne (takie jak Rolex) będą odbiegać o więcej – sekundę lub dwie każdego dnia. Naukowcy potrzebują czegoś znacznie bardziej precyzyjnego i dokładnego, ponieważ zjawiska, które mierzą, często trwają zaledwie miliardowe części sekundy.
W tym właśnie miejscu pojawia się zegar atomowy. Pierwszy dokładny egzemplarz został zbudowany w 1955 roku. Zegary atomowe odmierzają czas, mierząc oscylacje atomów podczas zmiany ich stanów energetycznych. Każdy pierwiastek ma swoją charakterystyczną częstotliwość lub zestaw częstotliwości, a ponieważ atom „bije” miliardy razy na sekundę, takie zegary są bardzo precyzyjne. W National Institute of Standards and Technology „oficjalna” sekunda to 9 192 631 770 cykli atomu cezu. (Kwarc w zegarku oscyluje około 32 000 razy na sekundę, jakieś 290 000 razy wolniej niż atomy cezu.)
Naukowcy mówią o zegarach atomowych w kategoriach stabilności i precyzji. Dla zegara atomowego precyzja jest tym, jak dobrze mierzy on wibracje atomów. Porównując dwa zegary, naukowcy mogą zmierzyć niepewność odczytu tej częstotliwości – jak precyzyjny jest zegar. Stabilność to stopień, w jakim tykanie zegara zmienia się w danym okresie czasu. Uśrednij dużą liczbę uderzeń zegara, powiedzmy 100 000, a otrzymasz liczbę, którą można zmierzyć w stosunku do rzeczywistego czasu, jaki zegar odmierza. Naukowcy zwykle odnoszą się do precyzji, kiedy mówią, że zegar jest tak dokładny, że zyska lub straci sekundę w ciągu milionów lat. Kiedy mówią o dokładności, naukowcy zazwyczaj odnoszą się do tego, jak dobrze zegar pasuje do danego standardowego odniesienia, więc w tym sensie najdokładniejszy zegar jest zawsze tym, z którym ustawiają standardową sekundę.
Tom O’Brian, szef NIST Time & Frequency division, zauważył kilka typów zegarów atomowych: Ten używany do określenia standardowej sekundy jest oparty na atomach cezu, ale inne typy używają strontu, aluminium lub rtęci. Niektóre używają wodoru. Dla jeszcze lepszej precyzji, najnowsze zegary atomowe super chłodzą atomy w nich, aby wyeliminować wszelkie perturbacje z ciepła otoczenia.
Największy nabywca zegarów atomowych, przemysł telekomunikacyjny, wdraża je do synchronizacji przełączników światłowodowych i wież telefonii komórkowej, O’Brian powiedział. Zegary atomowe są również używane w systemie GPS do dokładnego pomiaru czasu sygnałów i zgłaszania pozycji względem satelitów.
Oto niektóre z najdokładniejszych zegarów, jakie kiedykolwiek zbudowano, ale O’Brian zauważył, że technologia cały czas się poprawia, a naukowcy próbują wykonywać coraz dokładniejsze pomiary czasu.
1. Zegar atomowy NIST F2
Po raz pierwszy uruchomiony w 2014 roku, zegar ten, wraz ze swoim poprzednikiem, NIST F1, pomaga wyznaczyć standardową sekundę używaną przez naukowców na całym świecie. NIST F2 synchronizuje również telekomunikację, a nawet handel na rynkach finansowych w zakresie oficjalnego czasu dnia. Zegar wykorzystuje zestaw sześciu laserów do chłodzenia atomów (około 10 milionów z nich), podczas gdy inna para laserów delikatnie unosi atomy w górę wewnątrz komory wypełnionej promieniowaniem mikrofalowym. Częstotliwość promieniowania, która zmienia stan większości atomów jest tym, czego NIST używa do określenia sekund. Dokładność zegara wynika częściowo z tego, że działa on w temperaturze minus 316 stopni Fahrenheita (minus 193 stopni Celsjusza); zimne warunki pomagają osłonić atomy cezu przed zabłąkanym ciepłem, które mogłoby zmienić pomiary oscylacji atomów. Zegar ten będzie zyskiwał lub tracił sekundę mniej więcej raz na 300 milionów lat.
2. Uniwersytet Tokijski/ RIKEN
Zbudowany przez zespół kierowany przez Hidetoshi Katori, jest to optyczny zegar atomowy. Wykorzystuje on atomy strontu uwięzione pomiędzy wiązkami laserowymi i schłodzone do temperatury minus 292 F (minus 180 C). Optyczne zegary kratowe mierzą oscylacje zespołów uwięzionych atomów, a więc mogą uśredniać wszelkie błędy. Jego niepewność, zgłoszona w czasopiśmie Nature Photonics, 9 lutego, wynosi 7.2 x 10^-18, czyli około sekundy co 4.4 miliarda lat; naukowcy powiedzieli, że byli w stanie uruchomić dwa zegary tego samego typu, aby sprowadzić to do 2.0 x 10^-18, czyli około sekundy co 16 miliardów lat.
3. Zegar strontowy NIST / JILA
NIST i JILA, wspólny instytut na Uniwersytecie Kolorado w Boulder, zbudowały zegar atomowy z atomami strontu, który osiągnął precyzję 1 sekundy co 5 miliardów lat. Zespół, kierowany przez fizyka Jun Ye, opublikował swoją pracę w 2014 roku i dwukrotnie sprawdził wyniki, uruchamiając swój zegar przeciwko innym, takim samym jak on. O’Brian powiedział, że NIST planuje kolejny eksperyment z zegarem, aby posunąć się jeszcze dalej i przekroczyć stabilność zegara zbudowanego przez zespół Katori w Japonii. Zegar działa poprzez uwięzienie atomów strontu za pomocą laserów w przestrzeni w kształcie naleśnika. Czerwone światło lasera dostrojone do pewnej częstotliwości sprawia, że atomy przeskakują pomiędzy poziomami energetycznymi, a te przeskoki to „tyknięcia” – około 430 trylionów na sekundę.
4. Aluminiowy Kwantowy Zegar Logiczny
NIST nie tylko wykorzystuje atomy strontu i cezu. W 2010 roku NIST zbudował zegar atomowy, który wykorzystywał atom aluminium, z dokładnością do sekundy na 3,7 miliarda lat. Ten wykorzystuje pojedynczy atom aluminium uwięziony w polu magnetycznym z pojedynczym atomem berylu. Lasery chłodzą te dwa atomy do temperatury bliskiej zera absolutnego. Inny laser jest dostrojony do częstotliwości, która powoduje, że aluminium zmienia stany. Jednak stany aluminium są trudne do dokładnego zmierzenia, więc aluminium jest sprzężone z atomem berylu. Jest to proces podobny do tego stosowanego w systemach obliczeń kwantowych.
5. Mechaniczny zegar Shortt-Synchronome
Zegary atomowe zdobywają całą chwałę, ale O’Brian powiedział, że zanim się pojawiły, naukowcy wciąż musieli używać zegarów mechanicznych – a niektóre z nich były całkiem dokładne. Zegar Shortta, wynaleziony w 1921 roku, był standardowym instrumentem naukowym w obserwatoriach, dopóki nie zastąpiły go zegary atomowe. Zegar ten był w rzeczywistości podwójnym systemem, składającym się z jednego wahadła w zbiorniku próżniowym połączonego przewodami elektrycznymi. Zegar wtórny wysyłał co 30 sekund impuls elektryczny do zegara pierwotnego, aby zapewnić ich synchronizację, a wahadło w próżni było wykonane ze stopu niklu i żelaza, aby ograniczyć rozszerzalność cieplną, która mogłaby zmienić długość wahadła, a tym samym jego wychylenie. Zegar jest tak dokładny, że wahadła można używać do pomiaru efektów grawitacyjnych pochodzących od Słońca i Księżyca, i to właśnie ten instrument wykazał, że obrót Ziemi nie jest w rzeczywistości jednostajny. Testy w Obserwatorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w latach 80. wykazały, że zegar ma dokładność 1 sekundy na około 12 lat.
Ostatnie wiadomości
.