Ludzkość przestanie korzystać z sekundy przestępnej. Nie wiadomo, co ją zastąpi
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Ciekawostki
-
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
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
W 2017 roku fizycy wykazali, że dokładność zegara kwantowego jest bezpośrednio proporcjonalna do tworzonej entropii. Teraz naukowcy z Wielkiej Brytanii i Austrii odkryli podobną zależność w przypadku nanoskalowego zegara klasycznego. Z opublikowanej pracy nie tylko dowiadujemy się, że pomiar czasu wymaga zwiększenia entropii, ale również, że związek pomiędzy dokładnością pomiaru a entropią może być uniwersalną cechą mierzenia czasu. Wyniki badań mogą mieć duże znaczenie dla nanoskalowych silników cieplnych oraz technologii, których działanie jest zależne od dokładnych pomiarów czasu.
W systemach klasycznych badanie związku pomiędzy dokładnością pomiaru a entropią jest trudne, gdyż trudno jest śledzić wymianę ciepła i pracy. Naukowcy z University of Oxford, Lancaster University oraz Wiedeńskiego Centrum Kwantowej Nauki i Technologii stworzyli prosty optomechaniczny nanozegar, składający się z membrany poruszanej za pomocą pola elektrycznego. Membrana porusza się w górę i w dół, a każda zmiana pozycji wyznacza pomiar jednostki czasu. Zegar daje nam użyteczne dane wyjściowe – ciąg pomiarów – kosztem zwiększenia nieuporządkowania swojego otoczenia, które jest ogrzewane przez obwód podłączony do membrany.
Nanoskalowy zegar był zbyt duży by analizować go z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Był też fizycznie całkowicie różny od wcześniej badanych zegarów kwantowych. Mimo to naukowcy zauważyli w nim identyczny tym zależności pomiędzy dokładnością a entropią, jaki istnieje w zegarach atomowych. Związek pomiędzy dokładnością a entropią był też zgodny z opracowanym przez uczonych modelem teoretycznym. Potwierdziło to, że ten sam wzorzec dotyczy systemów klasycznych i kwantowych.
Autorzy mówią, że – mimo iż badali związek między entropią a dokładnością dla jednej implementacji klasycznego zegara – uzyskane wyniki i ich podobieństwo do wyników zegarów atomowych sugerują, że mogą być one prawdziwe dla każdego zegara. Sugerują jednocześnie, by optymalny zegar definiować jako taki, który ma najwyższą możliwość dokładność przy jak najmniejszej dyssypacji, bez względu na budowę samego zegara.
Natalia Ares z University of Oxford sugeruje, że badania pomiędzy entropią a dokładnością pomiaru mogą zostać wykorzystane do lepszego zrozumienia natury czasu i powiązanych z tym ograniczeń w wydajności nanoskalowych silników.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.