Το ατομικό ρολόι έρχεται σε πολλές ποικιλίες. Μερικά είναι ηλεκτρονικά μεγέθους τσιπ, που έχουν αναπτυχθεί για στρατιωτικούς σκοπούς αλλά διατίθενται στο εμπόριο τώρα, ενώ μεγαλύτερα και πιο ακριβή ατομικά ρολόγια παρακολουθούν το χρόνο τους σε δορυφόρους GPS. Αλλά όλα τα ατομικά ρολόγια δουλεύουν με την ίδια αρχή. Τα καθαρά άτομα - μερικά ρολόγια χρησιμοποιούν το καίσιο, άλλα χρησιμοποιούν στοιχεία όπως το ρουβίδιο - έχουν ένα ορισμένο αριθμό ηλεκτρόνων σθένους ή ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κέλυφος κάθε ατόμου. Όταν τα άτομα πληγούν με μια συγκεκριμένη συχνότητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (κύματα φωτός ή μικροκύματα, για παράδειγμα), η μετάβαση των ηλεκτρονίων σθένους μεταξύ δύο ενεργειακών καταστάσεων.
Στη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες απομακρύνθηκαν από τον χρόνο μέτρησης με βάση τις τροχιές και τις περιστροφές των ουρανίων σωμάτων και άρχισαν να χρησιμοποιούν αυτά τα ρολόγια με βάση τις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Μπορεί να φαίνεται σαν ένας περίεργος τρόπος μέτρησης του χρόνου, αλλά η διάρκεια ενός συγκεκριμένου αριθμού ταλαντώσεων ή "τσιμπουριών" σε ένα κύμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι η επίσημη μέθοδος με την οποία οι επιστήμονες ορίζουν το δεύτερο. Συγκεκριμένα, ένα δεύτερο είναι η διάρκεια των 9.192.631.770 ταλαντώσεων ενός λέιζερ μικροκυμάτων που θα προκαλέσει μεταβολή των ατόμων του καισίου.
Αλλά έχουμε ακόμα καλύτερα ατομικά ρολόγια από αυτά που μετρούν το καίσιο.
"Εάν τα δύο ρολόγια ytterbium είχαν ξεκινήσει στην αρχή του σύμπαντος, τότε θα διαφωνούσαν μεταξύ τους λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο", λέει ο William McGrew, φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) ), σε ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου.
Το εξαιρετικά σταθερό ατομικό ρολόι πλέγματος του ytterbium της NIST. Τα άτομα Ytterbium δημιουργούνται σε ένα φούρνο (μεγάλος μεταλλικός κύλινδρος στα αριστερά) και αποστέλλονται σε ένα θάλαμο κενού στο κέντρο της φωτογραφίας που πρόκειται να χειριστεί και να ελεγχθεί με λέιζερ. Το φως λέιζερ μεταφέρεται στο ρολόι από πέντε ίνες (όπως η κίτρινη ίνα στο κάτω μέρος της φωτογραφίας). (James Burrus / NIST) Τα ρολόγια ytterbium στα NIST, Yb-1 και Yb-2, είναι ένας μοναδικός τύπος ατομικού ρολογιού γνωστού ως ρολόι οπτικού πλέγματος. Ουσιαστικά, τα ρολόγια χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην οπτική συχνότητα ή σε λέιζερ για να παγιδεύουν χιλιάδες άτομα ytterbium και στη συνέχεια να προκαλούν τη μετάβαση των εξωτερικών τους ηλεκτρονίων μεταξύ της κατάστασης ενέργειας της γης και της ενθουσιασμένης ενεργειακής κατάστασης. Σε σύγκριση με το καίσιο, απαιτείται υψηλότερη συχνότητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για να προκαλέσει μετάβαση στο ytterbium.
Όλα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, από τα ραδιοκύματα έως τις ακτίνες γάμμα και όλο το ορατό φως μεταξύ τους, είναι το ίδιο είδος κυμάτων που αποτελείται από φωτόνια - η διαφορά είναι απλά ότι τα κύματα με υψηλότερες συχνότητες ταλαντεύονται πιο γρήγορα. Τα μικροκύματα, τα οποία χρησιμοποιούνται για την μετάβαση στο καίσιο, τείνουν σε μεγαλύτερα μήκη κύματος και χαμηλότερες συχνότητες από το ορατό φως. Χρησιμοποιώντας άτομα που η μετάβαση σε υψηλότερες συχνότητες είναι το κλειδί για την οικοδόμηση ενός καλύτερου ρολογιού. Ενώ ένα δεύτερο είναι περίπου 9 δισεκατομμύρια ταλαντώσεις ενός φούρνου μικροκυμάτων, η ίδια χρονική διάρκεια θα αντιπροσώπευε κοντά σε 500 τρισεκατομμύρια ταλαντώσεις ενός κύματος ορατού φωτός, ενισχύοντας την ικανότητα των επιστημόνων να μετρήσουν με ακρίβεια το χρόνο.
Εάν το λέιζερ μέτρησης σε ένα ρολόι ytterbium εισάγεται ακριβώς στη σωστή συχνότητα, τα άτομα ytterbium θα περάσουν στην κατάσταση διεγερμένης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει όταν το λέιζερ έχει μια συχνότητα ακριβώς 518.295.836.590.863.6 Hertz-ο αριθμός των "τσιμπούρια" σε ένα δευτερόλεπτο.
"Αυτό αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 578 νανόμετρα, το οποίο φαίνεται κίτρινο στο μάτι", λέει ο McGrew.
Νέες μετρήσεις με Yb-1 και Yb-2, με επικεφαλής την ομάδα του McGrew στο NIST, έχουν επιτύχει νέα αρχεία σε τρεις βασικούς τομείς της ακρίβειας μέτρησης, παράγοντας, από ορισμένες απόψεις, τις καλύτερες μετρήσεις του δεύτερου που επιτεύχθηκε ποτέ. Συγκεκριμένα, τα ρολόγια ρυθμίζουν νέα αρχεία για συστηματική αβεβαιότητα, σταθερότητα και αναπαραγωγικότητα. Οι νέες μετρήσεις αναλύονται λεπτομερώς σε ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε σήμερα στο Nature .
Τα οπτικά ρολόγια ytterbium είναι ακόμη πιο ακριβή σε αυτές τις απόψεις από τα ρολόγια κρήνης καίσου που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του ορισμού του δευτερολέπτου. Τα ρολόγια ytterbium δεν είναι ακριβέστερα από τεχνική άποψη από τα ρολόγια του καισίου, καθώς η ακρίβεια είναι ακριβώς πόσο κοντά είναι μια μέτρηση στον επίσημο ορισμό και τίποτα δεν μπορεί να είναι ακριβέστερο από τα ρολόγια καισίου που βασίζεται στον ορισμό. Ακόμα κι έτσι, η βασική μετρική είναι συστηματική αβεβαιότητα - ένα μέτρο για το πόσο κοντά το ρολόι συνειδητοποιεί την αληθινή, ανεμπόδιστη, φυσική ταλάντωση των ατόμων ytterbium (την ακριβή συχνότητα που τους προκαλεί τη μετάβαση).
Οι νέες μετρήσεις αντιστοιχούν στη φυσική συχνότητα μέσα σε ένα σφάλμα 1, 4 σε 10 18, ή περίπου ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυρίου. Τα ρολόγια καισίου έχουν επιτύχει μόνο μια συστηματική αβεβαιότητα περίπου ενός μέρους στα 10 16 . Έτσι, σε σύγκριση με τα ρολόγια καισίου, οι νέες μετρήσεις ytterbium "θα ήταν 100 φορές καλύτερες", λέει ο Andrew Ludlow, φυσικός του NIST και συν-συγγραφέας του εγγράφου.
Η πρόκληση με αυτούς τους τύπους μετρήσεων ασχολείται με εξωτερικούς παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τη φυσική συχνότητα των ατόμων ytterbium - και επειδή είναι μερικές από τις πιο ευαίσθητες μετρήσεις που έχουν επιτευχθεί ποτέ, κάθε φυσική επίδραση του σύμπαντος είναι ένας παράγοντας. "Σχεδόν οτιδήποτε θα μπορούσαμε να σκεφτούμε αυθαίρετα τώρα τελικά έχει κάποια επίδραση στη συχνότητα ταλάντωσης του ατόμου", λέει ο Ludlow.
Τα εξωτερικά εφέ που αλλάζουν τη φυσική συχνότητα των ρολογιών περιλαμβάνουν ακτινοβολία μαύρου σώματος, βαρύτητα, ηλεκτρικά πεδία και μικρές συγκρούσεις των ατόμων. "Ξοδεύουμε πολύ χρόνο προσπαθώντας να περάσουμε προσεκτικά και ... να κατανοήσουμε ακριβώς όλα τα αποτελέσματα που είναι σημαντικά για την αναστάτωση του ρυθμού χρονομέτρησης του ρολογιού - αυτή τη συχνότητα μετάβασης - και τη μετάβαση και την πραγματοποίηση μετρήσεων αυτών των πραγματικών ατόμων να τα χαρακτηρίσουμε και να μας βοηθήσουν να καταλάβουμε πόσο καλά μπορούμε πραγματικά να ελέγξουμε και να μετρήσουμε αυτά τα αποτελέσματα ".
Για να μειωθούν οι επιπτώσεις αυτών των φυσικών φυσικών παραγόντων, τα άτομα του υττερβίου, που απαντώνται φυσικά σε μερικά μέταλλα, αρχικά θερμαίνονται σε αέρια κατάσταση. Στη συνέχεια, η ψύξη με λέιζερ χρησιμοποιείται για τη μείωση της θερμοκρασίας των ατόμων από εκατοντάδες βαθμούς Kelvin σε μερικές χιλιοστά του ενός βαθμού και στη συνέχεια ψύχεται περαιτέρω σε θερμοκρασίες περίπου 10 microkelvin, ή 10 εκατομμύρια των βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν. Τα άτομα στη συνέχεια φορτώνονται σε ένα θάλαμο κενού και περιβάλλον θερμικής θωράκισης. Το μετρητικό λέιζερ ακτινοβολείται μέσω των ατόμων και αντανακλάται πίσω στον εαυτό του, δημιουργώντας το "πλέγμα" που παγιδεύει τα άτομα σε μέρη υψηλής ενέργειας ενός μόνιμου κύματος φωτός, παρά ένα τρέχον κύμα, όπως ένας τυπικός δείκτης λέιζερ.
Η βελτίωση της "σταθερότητας" και της "αναπαραγωγιμότητας" των μετρήσεων, τα οποία και τα ρολόγια ytterbium θέτουν και νέα αρχεία, συμβάλλουν στην περαιτέρω καταγραφή των εξωτερικών δυνάμεων που επηρεάζουν τα ρολόγια. Η σταθερότητα των ρολογιών είναι ουσιαστικά ένα μέτρο για το πόσο η συχνότητα αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, η οποία έχει μετρηθεί για τα Yb-1 και Yb-2 σε 3, 2 μέρη στο 10 19 κατά τη διάρκεια μιας ημέρας. Η αναπαραγωγιμότητα είναι ένα μέτρο για το πόσο κοντά τα δύο ρολόγια ταιριάζουν μεταξύ τους και μέσω 10 συγκρίσεων η διαφορά συχνότητας μεταξύ Yb-1 και Yb-2 έχει καθοριστεί ότι είναι μικρότερη από ένα δισεκατομμύριο ενός δισεκατομμυρίου.
"Είναι κρίσιμο να έχουμε δύο ρολόγια", λέει ο McGrew. "Η αβεβαιότητα χαρακτηρίζεται από την εξέταση κάθε μετατόπισης που θα μπορούσε να αλλάξει τη συχνότητα μετάβασης. Ωστόσο, υπάρχει πάντα η δυνατότητα «άγνωστων άγνωστων», μετατοπίσεων που δεν έχουν κατανοηθεί ακόμη. Διαθέτοντας δύο συστήματα, είναι δυνατό να ελέγξετε τον χαρακτηρισμό σας της αβεβαιότητας βλέποντας εάν τα δύο ανεξάρτητα συστήματα συμφωνούν μεταξύ τους ».
Αυτή η ακρίβεια στον χρόνο μέτρησης χρησιμοποιείται ήδη από επιστήμονες, αλλά οι πρακτικές εφαρμογές βελτιωμένων μετρήσεων του δεύτερου περιλαμβάνουν την πρόοδο στην πλοήγηση και τις επικοινωνίες. Παρόλο που κανείς δεν μπορούσε να το γνωρίσει την εποχή εκείνη, η πρώιμη δουλειά με ατομικά ρολόγια στα μέσα του 20ου αιώνα θα επέτρεπε τελικά το Global Positioning System και κάθε βιομηχανία και τεχνολογία που βασίζεται σε αυτό.
"Δεν νομίζω ότι θα μπορούσα να προβλέψω πλήρως ποιες εφαρμογές σε 20 ή 50 χρόνια θα ωφεληθούν περισσότερο από αυτό, αλλά μπορώ να πω ότι καθώς κοιτάζω πίσω στην ιστορία, μερικές από τις πιο βαθιές επιπτώσεις των ατομικών ρολογιών σήμερα δεν αναμένονται, "Λέει ο Ludlow.
Τα κίτρινα λέιζερ ενός από τα ρολόγια οπτικού πλέγματος NIST's ytterbium. (Nate Phillips / NIST) Τα ρολόγια ytterbium θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε προηγμένες φυσικές έρευνες, όπως η μοντελοποίηση βαρυτικών πεδίων και η πιθανή ανίχνευση της σκοτεινής ύλης ή των κυμάτων βαρύτητας. Ουσιαστικά, τα ρολόγια είναι τόσο ευαίσθητα ώστε να μπορεί να εντοπιστεί οποιαδήποτε παρεμβολή εξαιτίας μεταβαλλόμενης βαρύτητας ή άλλων φυσικών δυνάμεων. Εάν τοποθετήσατε πολλά ρολόγια ytterbium σε όλο τον κόσμο, θα μπορούσατε να μετρήσετε τις μικρές αλλαγές της βαρύτητας (που είναι ισχυρότερη κοντά στο επίπεδο της θάλασσας και πιο κοντά στους πόλους), επιτρέποντας στους επιστήμονες να μετρήσουν το σχήμα του βαρυτικού πεδίου της Γης με περισσότερη ακρίβεια από ποτέ πριν. Ομοίως, μπορεί να ανιχνευθεί μια αλληλεπίδραση με τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ή ακόμη και τα πιθανά βαρυτικά κύματα που επηρεάζουν δύο ρολόγια που διαδίδονται πολύ μακριά.
"Επιστημονικά, χρησιμοποιούμε αυτή την εκπληκτική ακρίβεια σήμερα για κάποιες από αυτές τις θεμελιώδεις μελέτες φυσικής - αναζητώντας σκοτεινή ύλη, αναζητώντας παραλλαγές των θεμελιωδών σταθερών, αναζητώντας παραβιάσεις σε μερικές από τις θεωρίες του Αϊνστάιν και άλλα πράγματα. ... Αν ποτέ ανακαλύψουμε παραβιάσεις [των νόμων της φυσικής] χρησιμοποιώντας αυτά τα απίστευτα εργαλεία μέτρησης, αυτό θα μπορούσε να είναι ένας τεράστιος αλλαγέας παιχνιδιών στην κατανόησή μας για το σύμπαν και, ως εκ τούτου, πώς η επιστήμη και η τεχνολογία θα εξελιχθούν από εκεί προς τα έξω ».
Τα επόμενα 10 χρόνια περίπου, είναι πιθανό τα ιδρύματα επιστήμης μετρήσεων του κόσμου να αποφασίσουν να επαναπροσδιορίσουν το δεύτερο με βάση ένα οπτικό ρολόι και όχι ένα ρολόι καισίου. Ένας τέτοιος επαναπροσδιορισμός είναι αναπόφευκτος, επειδή τα οπτικά λέιζερ λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες συχνότητες από τα μικροκύματα, αυξάνοντας τον αριθμό των "τσιμπουριών" του ρολογιού που περιέχεται σε ένα δευτερόλεπτο. Μια μέτρηση ρολογιού ytterbium θα ήταν καλό υποψήφιο για έναν νέο ορισμό, αλλά τα ωρολογιακά ρολόγια με υδράργυρο και στροντίου έχουν επίσης πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα και τα ιόντα οπτικά ρολόγια που αναστέλλουν και μεταβαίνουν ένα μόνο άτομο παρουσιάζουν μια άλλη ενδιαφέρουσα δυνατότητα για έναν νέο ορισμό.
Αυτές οι μετρήσεις των ατομικών φαινομένων γίνονται όλο και πιο ακριβείς και όπου η εξελισσόμενη κατανόηση του χρόνου μας θα μας πάρει, είναι αδύνατο να το μάθουμε.
