Majoritatea ceasurilor pe care oamenii le folosesc pentru a spune timpul au o precizie de 10 sau 15 secunde în fiecare lună. Ceasurile mecanice de lux (cum ar fi un Rolex) vor fi greșite cu mai mult – o secundă sau două în fiecare zi. Oamenii de știință au nevoie de ceva mult mai precis și mai exact, deoarece fenomenele pe care le măsoară durează adesea doar câteva miliardimi de secundă.
Atunci intervine ceasul atomic. Prima versiune precisă a fost construită în 1955. Ceasurile atomice păstrează timpul prin măsurarea oscilațiilor atomilor în timp ce aceștia își schimbă stările energetice. Fiecare element are o frecvență sau un set de frecvențe caracteristice și, deoarece atomul „bate” de miliarde de ori pe secundă, astfel de ceasuri sunt foarte precise. La Institutul Național de Standarde și Tehnologie, secunda „oficială” este de 9.192.631.770 de cicluri ale unui atom de cesiu. (Cuarțul dintr-un ceas oscilează de aproximativ 32.000 de ori pe secundă, de aproximativ 290.000 de ori mai lent decât atomii de cesiu.)
Științii vorbesc despre ceasurile atomice în termeni de stabilitate și precizie. Pentru un ceas atomic, precizia este cât de bine măsoară el vibrațiile atomilor. Prin compararea a două ceasuri, oamenii de știință pot măsura incertitudinea în citirea acelei frecvențe – cât de precis este un ceas. Stabilitatea reprezintă cât de mult variază ticăitul unui ceas într-o anumită perioadă de timp. Dacă se calculează media unui număr mare de ticuri, de exemplu 100.000, se obține un număr care poate fi comparat cu timpul real pe care îl păstrează ceasul. Oamenii de știință se referă de obicei la precizie atunci când spun că un ceas este atât de precis încât va câștiga sau pierde o secundă în milioane de ani. Când vorbesc despre precizie, oamenii de știință se referă de obicei la cât de bine se potrivește un ceas cu o anumită referință standard, astfel încât, în acest sens, cel mai precis ceas este întotdeauna cel cu care au stabilit secunda standard.
Tom O’Brian, șeful diviziei NIST Time & Frequency, a remarcat mai multe tipuri de ceasuri atomice: Cel folosit pentru a determina secunda standard se bazează pe atomi de cesiu, dar alte tipuri folosesc stronțiu, aluminiu sau mercur. Unele folosesc hidrogen. Pentru o precizie și mai bună, cele mai recente ceasuri atomice supra-încălzesc atomii din ele pentru a elimina orice perturbații cauzate de căldura ambientală.
Cel mai mare cumpărător de ceasuri atomice, industria telecomunicațiilor, le implementează pentru a sincroniza comutatoarele de fibră optică și turnurile de telefonie mobilă, a spus O’Brian. Ceasurile atomice sunt, de asemenea, folosite în sistemul GPS pentru a măsura cu exactitate sincronizarea semnalelor și pentru a raporta poziția cuiva în raport cu sateliții.
Acestea sunt unele dintre cele mai precise ceasuri construite vreodată, dar O’Brian a remarcat că tehnologia se îmbunătățește în permanență, iar oamenii de știință încearcă să creeze măsurători din ce în ce mai precise ale timpului.
1. NIST F2
Primul adus în funcțiune în 2014, acest ceas, împreună cu predecesorul său, NIST F1, ajută la determinarea secundei standard folosite de oamenii de știință din întreaga lume. NIST F2 sincronizează, de asemenea, telecomunicațiile și chiar tranzacțiile de pe piețele financiare pentru ora oficială a zilei. Ceasul folosește un set de șase lasere pentru a răci atomii (aproximativ 10 milioane de atomi), în timp ce o altă pereche de lasere ridică ușor atomii în sus, în interiorul unei camere umplute cu radiații de microunde. Frecvența radiației care modifică stările celor mai mulți atomi este cea pe care NIST o folosește pentru a defini secundele. acuratețea sa vine în parte pentru că funcționează la o temperatură rece de minus 316 grade Fahrenheit (minus 193 de grade Celsius); condițiile reci ajută la protejarea atomilor de cesiu de căldura difuză care ar putea altera măsurătorile oscilațiilor atomilor. Acest ceas va câștiga sau pierde o secundă aproximativ o dată la 300 de milioane de ani.
2. Universitatea din Tokyo/ RIKEN
Construit de o echipă condusă de Hidetoshi Katori, acesta este un ceas atomic cu rețea optică. Acesta folosește atomi de stronțiu prinși între raze laser și răciți la minus 292 F (minus 180 C). Ceasurile cu rețea optică măsoară oscilațiile ansamblurilor de atomi prinși în capcană și, prin urmare, pot calcula media oricăror erori. Incertitudinea sa, raportată în revista Nature Photonics, la 9 februarie, este de 7,2 x 10^-18, ceea ce înseamnă aproximativ o secundă la fiecare 4,4 miliarde de ani; cercetătorii au declarat că au reușit să facă să funcționeze două ceasuri de același tip pentru a reduce această valoare la 2.0 x 10^-18, sau aproximativ o secundă la fiecare 16 miliarde de ani.
3. Ceasul cu stronțiu NIST / JILA
NIST și JILA, un institut comun de la Universitatea din Colorado, Boulder, au construit un ceas cu zăbrele de stronțiu care a atins o precizie de 1 secundă la fiecare 5 miliarde de ani. Echipa, condusă de fizicianul Jun Ye, și-a publicat lucrarea în 2014 și a verificat de două ori rezultatele prin compararea ceasului lor cu un altul identic. O’Brian a declarat că NIST plănuiește un alt experiment cu ceasul pentru a împinge acest lucru și mai departe, pentru a depăși stabilitatea ceasului construit de echipa lui Katori în Japonia. Ceasul funcționează prin prinderea atomilor de stronțiu cu lasere într-un fel de spațiu în formă de clătită. O lumină laser roșie acordată la o anumită frecvență face ca atomii să sară între nivelurile de energie, iar aceste salturi sunt „ticurile” – aproximativ 430 de trilioane în fiecare secundă.
4. Ceasul cu logică cuantică din aluminiu
NIST nu folosește doar atomi de stronțiu și cesiu. În 2010, NIST a construit un ceas atomic care a folosit un atom de aluminiu, cu o precizie de o secundă la 3,7 miliarde de ani. Acesta folosește un singur atom de aluminiu prins în câmp magnetic cu un singur atom de beriliu. Laserele răcesc cei doi atomi până aproape de zero absolut. Un alt laser este reglat la frecvența care face ca aluminiul să își schimbe starea. Dar stările aluminiului sunt greu de măsurat cu precizie, așa că aluminiul este cuplat la atomul de beriliu. Acesta este un proces similar cu cel folosit în configurațiile de calcul cuantic.
5. Ceasul mecanic Shortt-Synchronome
Celebrele atomice au parte de toată gloria, dar O’Brian a spus că înainte de apariția lor, oamenii de știință încă trebuiau să folosească ceasuri mecanice – iar unele erau destul de precise. Ceasul Shortt, inventat în 1921, a fost un instrument științific standard în observatoare până când ceasurile atomice l-au înlocuit. Ceasul era, de fapt, un sistem dublu, format dintr-un pendul într-un rezervor de vid conectat prin cabluri electrice. Ceasul secundar trimitea un impuls electric la fiecare 30 de secunde către cel primar, pentru a se asigura că cele două ceasuri rămân sincronizate, iar pendulul din vid era realizat dintr-un aliaj de nichel și fier pentru a reduce orice dilatare termică, care ar fi modificat lungimea pendulului și, prin urmare, oscilația acestuia. Ceasul este atât de precis încât pendulul poate fi folosit pentru a măsura efectele gravitaționale ale Soarelui și ale Lunii, iar acest instrument a fost cel care a demonstrat că rotația Pământului nu era, de fapt, uniformă. Testele efectuate la Observatorul Naval al SUA în anii 1980 au arătat că ceasul avea o precizie de 1 secundă în aproximativ 12 ani.
Știri recente
.