Natuurkundigen hebben een atoomklok ontwikkeld die zo nauwkeurig is dat deze binnen 14 miljard jaar minder dan een seconde uit zou zijn. Dat soort nauwkeurigheid en precisie maakt het meer dan alleen een uurwerk. Het is een krachtig wetenschappelijk instrument dat zwaartekrachtsgolven kan meten, de zwaartekrachtvorm van de aarde kan meten en misschien zelfs donkere materie kan detecteren.
Hoe hebben ze dat gedaan?
Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology zeggen dat hun nieuwe atoomklok gebaseerd is op het zeldzame-aarde-element ytterbium. Ze gebruiken een raster van laserstralen, een optisch rooster genoemd, om 1000 ytterbiumatomen op te vangen. De atomen 'tikken' van nature door te schakelen tussen twee energieniveaus. Die actie wordt atomaire elektronenovergang genoemd en het duurt nanoseconden. Elke keer dat ze tikken of energieniveaus veranderen, zenden de elektronen microgolfenergie uit, die kan worden gedetecteerd. De NIST-natuurkundigen hebben twee van deze ytterbium-klokken gebouwd en door ze te vergelijken, hebben ze recordbrekende prestaties behaald.
Deze recordbrekende prestatie wordt op drie manieren gemeten:
- Systematische onzekerheid: zo goed vertegenwoordigt de klok de natuurlijke trillingen van de ytterbium-atomen. De ytterbium-klok stond slechts een miljardste van een miljardste uit.
- Stabiliteit: dit is hoeveel de frequentie van de klok verandert in een bepaalde tijd. In dit geval maten ze hun ytterbium-klok en deze veranderde slechts met 0,00000000000000000032) gedurende een dag.
- Reproduceerbaarheid: dit meet hoe dicht twee ytterbiumklokken op dezelfde frequentie tikken. In 10 vergelijkingen tussen het paar klokken was het verschil opnieuw minder dan een miljardste van een miljardste.
"Systematische onzekerheid, stabiliteit en reproduceerbaarheid kunnen worden beschouwd als de 'royal flush' van prestaties voor deze klokken ', zei projectleider Andrew Ludlow in een persbericht. "De overeenkomst van de twee klokken op dit ongekende niveau, die we reproduceerbaarheid noemen, is misschien wel het belangrijkste resultaat, omdat het in wezen de andere twee resultaten vereist en onderbouwt."
Einstein liet ons zien dat de tijd anders verloopt, afhankelijk van de zwaartekracht die je ook ondergaat. Het tikken van de atomen in een atoomklok wordt vertraagd wanneer het in sterkere zwaartekracht wordt waargenomen. Op de top van Mt. Everest, bijvoorbeeld, de tijd beweegt sneller dan op de bodem van de Mariana Trench. Dat komt omdat, hier op aarde, de zwaartekracht geconcentreerd is in het midden van de planeet. Hoe verder je van het centrum verwijderd bent, hoe minder zwaartekracht er is. Het effect is niet groot, misschien maar een miljoenste van een seconde. Maar het is er. Dat lijkt op de een of andere manier contra-intuïtief, maar dat is wat Einstein liet zien, en hij heeft gelijk gekregen.
Het uitzonderlijke aan deze nieuwe atoomklok is dat de aangetoonde reproduceerbaarheid betekent dat de fout van de klok onder ons vermogen ligt om het zwaartekrachteffect op tijd hier op aarde te detecteren.
NIST-natuurkundige Andrew Ludlow legt het als volgt uit: "... de aangetoonde reproduceerbaarheid laat zien dat de totale fout van de klokken onder ons algemene vermogen valt om rekening te houden met het effect van de zwaartekracht op tijd hier op aarde. Vandaar dat, aangezien we ons voorstellen dat dergelijke klokken in het hele land of de wereld worden gebruikt, hun relatieve prestaties voor het eerst beperkt zouden zijn door de zwaartekrachteffecten van de aarde. "
De natuurkundigen zeggen dat we, nu we een klok hebben die nauwkeuriger is dan het zwaartekrachtseffect op tijd, de klok kunnen gebruiken om de zwaartekrachtvorm van de aarde te meten. De gebruikelijke manier om de zwaartekrachtvorm van de aarde te meten, is door de getijden te meten. Over de hele wereld geplaatste getijdenmeters worden gebruikt, maar hun nauwkeurigheid is slechts enkele centimeters. De nieuwe klokken zouden die nauwkeurigheid tot minder dan een centimeter kunnen terugbrengen.
In feite kunnen deze ytterbium-klokken worden gebruikt om veel meer te meten dan de zwaartekrachtvorm van de aarde. Ze kunnen worden gebruikt om de ruimtetijd zelf te meten en om zwaartekrachtsgolven uit het vroege heelal te detecteren. Het is mogelijk dat ze zelfs donkere materie kunnen meten. Op dit niveau van nauwkeurigheid en precisie is dit instrument veel meer dan alleen een klok.
Het is niet alleen de zwaartekracht die een klok zoals de ytterbium-klok kan beïnvloeden. Andere milieueffecten kunnen de nauwkeurigheid van het apparaat verstoren. Ze moeten gekoeld worden gehouden en ze moeten worden geïsoleerd van alle verdwaalde elektrische velden. De nieuwe klokken zijn afgeschermd van elektrische en warmte-effecten, zodat ze kunnen worden verantwoord en gecorrigeerd.
Met verbeteringen zoals elektrische en thermische afscherming bouwen de fysici draagbare ytterbium-klokken die naar verschillende laboratoria kunnen worden vervoerd om andere klokken te meten en te vergelijken. Ze kunnen ook naar andere locaties worden verplaatst om relativistische geodesietechnieken te bestuderen. Dit zou een game-changer zijn, want op dit moment zijn onze beste atoomklokken ruimtegrootte, zogenaamde "fonteinklokken" die het cesiumatoom gebruiken om de tweede te definiëren.
Maar dat zou allemaal kunnen veranderen met de nieuwe klokken.
Eerdere atoomklokken zijn gebaseerd op het element cesium, dat tot nu toe de meest nauwkeurige tijdwaarneming leverde. De trilling van het cesiumatoom wordt sinds de jaren zestig gebruikt om de duur van een enkele seconde in het International System of Units (ISU) te definiëren. Maar met de ontwikkeling van de ytterbium-klok is de tijd van caesium misschien op.
De eerste cesiumklok werd gebouwd in 1955 en sindsdien is het de gouden standaard. De officiële definitie van de tweede, als je geïnteresseerd bent, wordt al sinds 1967 gebruikt. Er staat: “De tweede is de duur van 9 192 631 770 perioden van straling die overeenkomen met de overgang tussen de twee hyperfijne niveaus van de grond toestand van het cesium 133-atoom. ' Vervolgens verduidelijkten ze in 1997 dat het cesium 0 Kelvin moest zijn.
Andere atoomklokken zijn gebouwd met rubidium, dat draagbaar kan worden gemaakt. Ze zijn niet zo nauwkeurig als cesium, maar ze zijn goed genoeg voor toepassingen zoals GPS, basisstations voor mobiele telefoons en voor het regelen van de frequentie van televisiestations. Maar met de ontwikkeling van de nieuwe atoomklok met het ytterbium-atoom, hebben we misschien het beste van twee werelden: ongekende wetenschappelijke nauwkeurigheid en draagbaarheid.
De nieuwe atoomklok ytterbium is een vooraanstaande kandidaat om de definitie van hoe lang een seconde is opnieuw te definiëren. Dat komt omdat het voldoet aan de nauwkeurigheidsdrempel die is gedefinieerd door het internationale systeem van eenheden. Die instantie zei dat elke nieuwe definitie een 100-voudige verbetering van de gevalideerde nauwkeurigheid zou vereisen ten opzichte van de cesiumklokken die momenteel worden gebruikt om de tweede te definiëren.
Vroeger definieerden we tijd door de rotatie van de aarde, maar sindsdien hebben we een lange weg afgelegd. Een atoomklok die de tikkende snelheid van een zeldzame-aarde-element gebruikt om de zwaartekrachtsvorm van de aarde te meten, zwaartekrachtsgolven uit het vroege heelal en misschien zelfs donkere materie is iets dat geen historisch mens ooit had kunnen inbeelden als ze er een stok in staken de grond om een zonnewijzer te maken.
- Persbericht: NIST-atoomklokken houden nu voldoende tijd om de modellen van de aarde te verbeteren
- Research Paper: Atoomklokprestaties voorbij de geodetische limiet
- MIT News: Atomic timekeeping, onderweg
- Wikipedia: atoomklok
- Wikipedia: Cesium-standaard
- Wikipedia: Atoom-elektronovergang
