Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Nanoskalowy zegar klasyczny wskazuje na istnienie uniwersalnych ograniczeń pomiaru czasu
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Eksperci z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) udoskonalili swój optyczny zegar atomowy, bazujący na uwięzionych jonach glinu, do tego stopnia, że mierzy on czas z dokładnością do 19 miejsc po przecinku. Oznacza to, że jego dokładność wynosi 1 sekundę na 317 miliardów lat. Jest on więc najdokładniejszym istniejącym obecnie zegarem. To efekt 20 lat ciągłych prac nad udoskonalaniem glinowego zegara. Urządzenie jest obecnie o 41% bardziej precyzyjne niż dotychczasowy rekordzista i 2,6-krotnie bardziej stabilne niż inne zegary jonowe.
Praca przy najbardziej precyzyjnym zegarze w historii jest niezwykle ekscytująca. W NIST prowadzimy długoterminowy program precyzyjnych pomiarów, dzięki którym poszerzamy naszą znajomość fizyki i lepiej poznajemy świat wokół nas, mówi Mason Marshall, główny autor artykułu, w który poinformowano o osiągnięciu.
Jony glinu umożliwiają zbudowanie wyjątkowo precyzyjnego, stabilnego zegara atomowego. Drgania jonów glinu, używane do pomiaru czasu, są bardziej stabilne niż drgania jonów cezu, które są obecnie wykorzystywane do definiowania sekundy, wyjaśnia David Hume, który stoi na czele zespołu rozwijającego glinowy zegar atomowy. Ponadto jony glinu nie są tak wrażliwe na niektóre z czynników zewnętrznych – na przykład na temperaturę czy pola magnetyczne – jak jony cezu.
Dlaczego wobec tego standardem w nauce są cezowe zegary atomowe i to one definiują sekundę? Otóż jony glinu jest trudno chłodzić i próbkować za pomocą lasera. A to niezbędne techniki zegarów atomowych. Dlatego też naukowcy z NIST połączyli jon aluminium z magnezem. Magnez nie drga tak dobrze jak glin, ale łatwo jest go kontrolować za pomocą lasera. Taki system nazywany jest kwantową spektroskopią logiczną, mówi pracująca przy projekcie studentka Willa Arthur-Dworschack. Jon magnezu chłodzi jon glinu. Porusza się też zgodnie ze swoim partnerem, dzięki czemu stan zegara można odczytać badając laserem stan jonu magnezu.
Zegar atomowy to niezwykle skomplikowana maszyneria, a każdy jego element wpływa na precyzję działania całości. Podczas prac nad udoskonaleniem zegara naukowcy musieli poprawić wiele elementów. Jednym z nich była pułapka, w której znajdują się jony. Sama pułapka powoduje nadmiarowe mikroruchy jonów, które negatywnie wpływają na precyzję zegara. Jest to spowodowane nierównowagą ładunku elektrycznego na przeciwnych jej końcach. Naukowcy przebudowali pułapkę, umieszczając ją na grubszym diamentowym podłożu i modyfikując złotą powłokę na elektrodach.
Kolejnym problemem był też system próżniowy, w którym znajduje się pułapka. Wodór przecieka przez stalowe ściany typowej komory próżniowej. Atomy wodoru zderzały się z jonami, przerywając ich pracę. Przez to co 30 minut konieczne było napełnianie pułapki nowymi jonami. Z problemem poradzono sobie zmieniając architekturę komory próżniowej i budując ją z tytanu. Wycieki wodoru zmniejszyły się 150-krotnie. To zaś spowodowało, że pułapka może działać nieprzerwanie przez wiele dni.
W końcu trzeba było poradzić sobie z jeszcze jednym problemem, koniecznością posiadania bardziej stabilnego lasera do zliczania ruchu jonu. Wersja zegara z 2019 roku musiała działać przez kilka tygodni, by uśrednić fluktuacje kwantowe, losowe zmiany stanu energetycznego jonów spowodowane działaniem lasera. Teraz skorzystano z pomocy laboratorium NIST kierowanego przez Juna Ye. Posiada ono jeden z najbardziej stabilnych laserów na świecie. W laboratorium tym znajduje się zresztą zegar atomowy korzystający z atomów strontu, który w swoim czasie był najbardziej precyzyjnym tego typu urządzeniem.
Za pomocą światłowodów wiązka lasera z laboratorium Ye została wysłana do laboratorium Tary Fortier z NIST, w którym znajduje się grzebień częstości optycznych. To rodzaj niezwykle precyzyjnej linijki do pomiaru częstości promieniowania optycznego. Ta linijka pozwoliła zespołowi pracującemu przy glinowym zegarze atomowym na porównanie swojego lasera z laserem z laboratorium Ye i przeniesienie jego stabilności do swojego laboratorium. Dzięki tej technice możliwe było próbkowanie jonów w zegarze przez pełną sekundę. Wcześniej próbkowanie takie mogło trwać nie dłużej niż 150 milisekund. W ten sposób zwiększono stabilność zegara, a czas potrzebny do osiągnięcia pomiaru rzędu 19 miejsc po przecinku skrócono z 21 do 1,5 dnia.
Pobicie rekordu precyzji pomiaru czasu przyczyni się do lepszego zdefiniowania sekundy, ułatwienia kolejnych odkryć naukowych i postępu technologicznego. Nowy zegar będzie miał swój udział w rozwoju technologii kwantowych, bardziej precyzyjnym badaniu Ziemi czy w poszukiwaniu fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Źródło: High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10−19 Systematic Uncertainty, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Podczas spotkania we Paryżu przedstawiciele rządów i organizacji naukowych zagłosowali za rezygnacją z sekundy przestępnej, poinformowało Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM). Decyzja wejdzie w życie nie później niż w 2035 roku. Sekundy przestępne, podobnie jak lata przestępne, dodawano co jakiś czas do zegarów przez ostatnie pół wieku, by uwzględnić różnicę pomiędzy dokładnymi pomiarami czasu dokonywanymi za pomocą zegarów atomowych, a spowalniającym ruchem obrotowym Ziemi.
Istnienie sekundy przestępnej mogło powodować problemy w licznych systemach zależnych od dokładnego nieprzerwanego pomiaru czasu – nawigacji satelitarnej, telekomunikacji, handlu czy podróży kosmicznych.
Rezolucję o rezygnacji z sekundy przestępnej do 2035 roku podjęto podczas Generalnej Konferencji Wag i Miar, która odbywa się co cztery lata w Wersalu. Przeciwko głosowała Rosja, która chciała, by zmiana zaczęła obowiązywać od 2040 roku. Rok 2035 był kompromisem, gdyż część krajów proponowała rok 2025 czy 2030. Inicjatorami likwidacji sekundy przestępnej były m.in. Stany Zjednoczone i Francja.
Wraz z pojawieniem się zegarów atomowych rozpoczęła się epoka bardzo precyzyjnych pomiarów czasu niż liczony w sekundach. I okazało się, że czas atomowy nie zgadza się z czasem obrotowym Ziemi. By rozwiązać ten problem, w 1972 roku wprowadzono sekundy przestępne. Od tamtej pory dodawano je 27 razy, po raz ostatni w roku 2016. Teraz postanowiono z tego zrezygnować, ale nie do końca.
Na paryskim spotkaniu zdecydowano, że dopuści się większą niż sekunda różnicę pomiędzy czasem atomowym a astronomicznym. Ta większa różnica dopiero zostanie ustalona, mówi Judah Levine, fizyk z amerykańskich Narodowych Instytutów Standardów i Technologii. To on – wraz z Patrizią Tavellą, dyrektorką departamentu czasu w BIPM – przez lata opracowywał zarys przyjętej właśnie rezolucji.
Teraz więc czekają nas kolejne negocjacje, podczas których państwa i naukowcy określą, na jak dużą rozbieżność czasu atomowego i astronomicznego będzie można pozwolić. Levine mówi, że mogłaby to być na przykład minuta. A minutę przestępną trzeba by wprowadzać raz na 50–100 lat. Jednocześnie podkreśla, że zachowanie pojęcia czasu uniwersalnego (UTC) jest ważne, gdyż ustalany jest on przez społeczność międzynarodową, skupioną w BIPM.
Jedyną powszechnie stosowaną alternatywą dla czasu uniwersalnego jest czas GPS, o którym decydują zegary atomowe. Jednak, jak zauważa Levine, tym pomiarem czasu zarządza amerykańska armia bez nadzoru społeczności międzynarodowej.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Zgodnie ze słynnym paradoksem bliźniąt, osoba poruszająca się z dużą prędkością, starzeje się wolniej niż jej brat-bliźniak. Podobnie ma się sprawa na Ziemi i innych dużych obiektach, które zaginają czasoprzestrzeń spowalniając upływ czasu. Jeśli jedno z bliźniąt będzie mieszkało nad morzem, a drugie na szczycie Mount Everest, gdzie grawitacja Ziemi oddziałuje nieco słabiej, będą starzały się w różnym tempie. Taka różnica została zresztą potwierdzona w eksperymencie, w którym jeden zegar atomowy umieszczono na poziomie morza, a drugi na szczycie góry.
Teraz fizykom udało się zmierzyć różnice w upływie czasu w milimetrowej skali. Jun Ye z JILA w stanie Kolorado, wybitny badacz atomowych zegarów sieci optycznej, zmierzył różnice pomiędzy górną a dolną częścią chmury atomów o wysokości milimetra. To krok naprzód w kierunku badania teorii względności i mechaniki kwantowej, których obecnie nie potrafimy połączyć w jedną całość.
Podczas swojego eksperymentu Ye wykorzystał optyczny zegar atomowy zbudowany z chmury 100 000 atomów strontu. Zegar wzbudzany był laserem. Przy odpowiedniej, bardzo precyzyjnej częstotliwości pracy lasera, elektrony krążące wokół każdego z jąder atomowych zajmowały wyższy poziom energetyczny. Jako, że tylko konkretna częstotliwość pracy lasera powodowały odpowiednie wzbudzenie elektronów, systemu można był użyć do niezwykle precyzyjnych pomiarów czasu. Można go porównać do zegara z wahadłem, gdzie rolę wahadła pełnią oscylacje światła lasera.
Gdy naukowcy porównali częstotliwość „tykania zegara” na w górnej i dolnej części chmury, okazało się, że czas pomiędzy poszczególnymi przejściami jest na górze o 0,00000000000000001% krótszy niż na dole.
Taki a nie inny sposób zaprojektowania eksperymentu pozwolił na usunięcie z pomiarów wielu zakłóceń. Na chmurę atomów wpływać może bowiem pole elektryczne, pole magnetyczne, ciepło otoczenia czy sam laser. Jednak niezależnie od tych wszystkich czynników różnica w częstotliwości pomiędzy górą a dołem chmury pozostawała taka sama. Autorzy badań mówią, że to krok w kierunku zunifikowania ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej.
Teoria względności opisuje czasoprzestrzeń, w której obiekty mają dobrze zdefiniowane właściwości i przemieszczają się pomiędzy punktami przestrzeni w zdefiniowany sposób. Z kolei w mechanice kwantowej obiekt może znajdować się w superpozycji, czyli przyjmować jednocześnie różne właściwości lub też może nagle przeskoczyć do innej lokalizacji. Obie teorie dobrze opisują właściwe sobie rzeczywistości, ale nie przystają do siebie nawzajem. Jeśli bowiem rozważymy masywny obiekt, jak np. planetę, to – zgodnie z ogólną teorią względności – będzie on zaginał czasoprzestrzeń. Jeśli teraz zastosujemy do niego mechanikę kwantową, czyli umieścimy ten obiekt w superpozycji, zatem jednocześnie będzie się on znajdował w dwóch różnych miejscach, to rodzi się pytanie, czy również geometria czasoprzestrzeni znajdzie się w superpozycji. Niemożność zunifikowania obu tych teorii, które na początku XX wieku zrewolucjonizowały fizykę, to wciąż poważny problem dla nauki. Oznacza bowiem, że nie jesteśmy w stanie w pełni opisać rzeczywistości.
Zegary atomowe to bardzo obiecujące systemy do badania tego problemu. Odmierzają bowiem czas, który w szczególnej teorii względności jest czwartą współrzędną czasoprzestrzeni, a jednocześnie przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów są możliwe dzięki zjawiskom kwantowym.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Od pewnego czasu Ziemia obraca się szybciej niż zwykle, a 19 lipca ubiegłego roku był najkrótszą dobą od czas rozpoczęcia pomiarów. Trwała ona o 1,4602 milisekundy krócej niż zwykle. W bieżącym roku możemy spodziewać się zaś kolejnych rekordów. Specjaliści przypuszczają, że przeciętna tegoroczna doba będzie o ponad 0,5 milisekundy krótsza niż drzewiej bywało.
Poprzednio najkrótsza doba została zmierzona w 2005 roku. Jednak w roku 2019 rekord ten został pobity aż 20 razy.
To tym, że długość doby się zmienia ludzkość dowiedziała się w latach 60. ubiegłego wieku, gdy powstały zegary atomowe, a ich pomiary porównano z pozycją gwiazd. W ciągu ostatnich dekad długość doby ulega ciągłemu wydłużeniu. Różnica jest spora. Od lat 70. operatorzy zegarów atomowych musieli dodać aż 27 sekund przestępnych, by dostosować zegary do ruchu obrotowego naszej planety. Ostatni raz sekundę przestępną dodawano noc sylwestrową 2016 roku, kiedy to zegary na całym świecie zostały na sekundę zatrzymane.
Tymczasem od pewnego czasu specjaliści obserwują, że Ziemia przyspieszyła. Niewykluczone, że w niedługim czasie – po raz pierwszy w historii – trzeba będzie odjąć sekundę przestępną od zegarów. Nie mamy wątpliwości, że Ziemia obraca się wokół własnej osi szybciej, niż w jakimkolwiek momencie ostatnich 50 lat, mówi Peter Whibberley, naukowiec z grupy odpowiedzialnej za pomiary czasu w brytyjskim Narodowym Laboratorium Fizycznym."Nie można wykluczyć, że jeśli ruch obrotowy Ziemi będzie przyspieszał, konieczne będzie dodanie ujemnej sekundy przestępnej. Jest jednak zbyt wcześnie, by o tym mówić.
Prowadzone są międzynarodowe rozmowy dotyczące przyszłości sekund przestępnych. Jest też możliwe, że konieczność dodania ujemnej sekundy przestępnej spowoduje, że zostanie podjęta decyzja o całkowitej rezygnacji z sekund przestępnych, dodaje.
W ostatnią niedzielę (3 stycznia), długość doby słonecznej wyniosła 23 godziny 59 minut i 59,9998927 sekundy. W poniedziałek doba jeszcze bardziej się skróciła. Eksperci przypuszczają, że w całym bieżącym roku skumulowana różnica pomiędzy dobą a zegarami atomowymi wyniesie około 19 milisekund.
Różnice te są tak niewielkie, że dla przeciętnego człowieka stałyby się zauważalne po kilkuset latach. Jednak współczesne systemy komunikacji satelitarnej i nawigacji są uzależnione od dokładnego dopasowania pomiarów czasu do pozycji Słońca, Księżyca i gwiazd. Za tę zgodność odpowiadają naukowcy z International Earth Rotation Service w Paryżu. Monitorują tempo obrotowe planety i z sześciomiesięcznym wyprzedzeniem informują wszystkie kraje, kiedy trzeba będzie zastosować sekundę przestępną.
Jednak manipulowanie czasem może nieść ze sobą poważne konsekwencje. Gdy w 2012 roku na świecie dodano sekundę przestępną, doszło do awarii Mozilli, Reddita, Foursquare'a, Yelpa, LinkedIna i StumbleUpon. Pojawiły się problemy z systemem operacyjnym Linux oraz z programami napisanymi w Javie.
Niektóre kraje chcą całkowicie przejść na pomiary czasu za pomocą zegarów atomowych i zrezygnować ze stosowania sekund przestępnych. Inne kraje, w tym Wielka Brytania, sprzeciwiają się temu, gdyż taki ruch spowodowałby całkowite zerwanie ze związkiem pomiędzy pomiarami czasu z ruchem Słońca na nieboskłonie. W 2023 roku Światowa Konferencja Radiokomunikacyjna ma zdecydować o losie sekundy przestępnej.
Tempo ruchu obrotowego Ziemi ulega ciągłym zmianom. Jest to spowodowane złożonymi zależnościami pomiędzy ruchem płynnego jądra Ziemi, ruchem oceanów i atmosfery oraz ruchem ciał niebieskich, takich jak Księżyc. Na ruch obrotowy wpływa też globalne ocieplenie, gdyż topnienie śniegu i lodu na wyżej położonych obszarach przyczynia się do przyspieszenia ruchu obrotowego.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Polski, USA i Niemiec uważają, że można wykorzystać globalną sieć czujników kwantowych oraz zegary atomowe systemu GPS do rejestrowania hipotetycznych egzotycznych pól o niskiej masie (ELF), sygnałów pochodzących z łączenia się czarnych dziur i innych gwałtownych wydarzeń astronomicznych. Wykrycie takich sygnałów dawałoby istotny wgląd w fizykę wykraczającą poza Model Standardowy.
Andrei Derevianko z University of Nevada i jego zespół, w pracach którego udział bierze Szymon Pustelny z Uniwersytet Jagiellońskiego, opublikowali pracę, w której wyliczają właściwości ELF i mówią gdzie oraz jak ich szukać.
Astronomia wielokanałowa (multimessenger astronomy), to skoordynowane obserwacje różnych sygnałów pochodzących z tego samego źródła. Obserwacje takie zapewniają duże bogactwo danych na temat procesów astrofizycznych. Dotychczas astronomia wielokanałowa odbierała skorelowane sygnały ze znanych oddziaływań podstawowych i standardowych cząstek, jak promieniowanie elektromagnetyczne, neutrina czy fale grawitacyjne. Jednak wielu autorów sugeruje, że istnieją egzotyczne pola o niskiej masie ( <-2), czytamy w pracy opublikowanej na łamach Nature.
W naszej pracy wykażemy, że sieć precyzyjnych czujników kwantowych, które są izolowane od wpływu konwencjonalnych sygnałów fizycznych, może być potężnym narzędziem astronomii wielokanałowej. Rozważamy tutaj sytuację, w której wysokoenergetyczne wydarzenia astrofizyczne wywołują intensywne rozbłyski egzotycznych pól o niskiej masie (ELF) i proponujemy nowy model wykrywania ELF bazujący na generalnych założeniach. Wyliczamy tutaj amplitudy sygnałów EFL, opóźnienia, częstotliwości i odległości od źródeł fal grawitacyjnych, które to sygnały mogą zostać zarejestrowane przez globalną sieć magnetometrów i zegarów atomowych. Stwierdziliśmy, że sieci takich urządzeń mogą działać jak teleskopy ELF, wykrywając sygnały ze źródeł, które generują ELF.
Czarne dziury i gwiazdy neutronowe mają silne pola grawitacyjne, zatem można przypuszczać, że przyciągają ciemną materię. Wiele rozszerzeń Modelu Standardowego sugeruje, że wokół wielkich masywnych obiektów astrofizycznych, jak czarne dziury, mogą gromadzić się ELF. Gdy czarne dziury się łączą i dochodzi do uwolnienia olbrzymich ilości energii, część z tych ELF może zostać rozerwana i wyrzucona w kierunku Ziemi. Możemy więc spróbować je wykryć i badać.
Jednak sposób badania ELF będzie zależał od ich natury. Derevianko uważa, że jedną z metod może być wykorzystanie zegarów atomowych. ELF mogą wpłynąć na odległości pomiędzy powłokami elektronowymi, co wpłynie na częstotliwość pracy zegara atomowego. Globalna sieć zegarów atomowych już istnieje. Urządzenia takie mają na pokładzie satelity systemu GPS. Można by ją więc wykorzystać do wykrywania ELF, których źródło znajduje się w dowolnym miejscu obserwowalnego wszechświata.
Jest jeszcze inna możliwość obserwacji ELF. Naukowcy przypuszczają, że pola te mogą wchodzić w interakcje ze spinami atomów, zatem mogą być wykrywane przez magnetometry. Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics (GNOME) to sieć 13 stacji rozsianych na 4 kontynentach. Co prawda, jak zauważa Derevianko, obecnie magnetometry te nie są wystarczająco czułe, by wykryć ELF, ale w przyszłości mogą osiągnąć wymaganą czułość, gdyż są ciągle udoskonalane.
Uczeni nie znają dokładnej natury sygnałów pochodzących z ELF, w końcu samo istnienie pól jest jedynie hipotezą, jednak przewidują niektóre z ich właściwości. Ich zdaniem cząstki będące nośnikami sygnału mają dużą energię i bardzo niską masę. W związku z tym przemieszczają się niemal z prędkością światła. Co więcej, uważają, że jako pierwsze dotrą do nas elementy o wysokiej częstotliwości. To zaś będzie zapowiedzią impulsu, który trafi na Ziemię wkrótce po dotarciu fal grawitacyjnych.
Zdaniem zespołu Derevianko, naukowcy mogą szukać ELF w wydarzeniach, którym nie towarzyszy fala grawitacyjna, np. w wybuchach supernowych. A jeśli np. uda się znaleźć w zegarach atomowych systemu GPS ślady ELF pochodzących z połączenia czarnych dziur, to można przeanalizować dane historyczne, sprzed okresu, gdy byliśmy w stanie wykrywać fale grawitacyjne.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.