Najbardziej precyzyjny zegar na świecie myli się o 1 sekundę na 317 miliardów lat
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin w Hefei poinformowali o bezprzewodowym przekazaniu informacji o czasie i częstotliwości zegara optycznego na odległość ponad 100 kilometrów. To zaś umożliwi synchronizowanie i monitorowanie optycznych zegarów atomowych tam, gdzie nie można ich połączyć za pomocą światłowodów. Nowa technika będzie miała olbrzymie znaczenie dla metrologii, nawigacji czy systemów pozycjonowania, a także dla poszukiwania ciemnej materii czy testowania teorii względności.
Optyczne zegary atomowe składają się z trzech głównych elementów. Tworzą go atomy lub jony, które przechodzą pomiędzy poziomami energetycznymi z dobrze zmierzoną i stabilną częstotliwością odpowiadającą częstotliwości promieniowania optycznego spektrum elektromagnetycznego. To one stanowią wzorzec atomowy. Drugim elementem jest niezwykle precyzyjny laser. Częstotliwość emitowanego przezeń światła jest dopasowana do różnicy energetycznej pomiędzy poziomami w atomach tworzących wzorzec atomowy. Pomiar odbywa się poprzez zliczanie zmian pola elektromagnetycznego w świetle laserowym.
Jednak częstotliwość drgań znacznie wykracza poza możliwości elektroniki. Dlatego też rolę przekładni, która zlicza poszczególne drgania, pełni optyczny grzebień częstotliwości, czyli mówiąc wprost, laser femtosekundowy. Emituje on serię niezwykle krótkich – liczonych w femtosekundach – impulsów, spełniających rolę podziałki. Jest ona synchronizowana z częstotliwością światła lasera dopasowanego do wzorca atomowego. Uzyskanie naprawdę precyzyjnych pomiarów czasu wymaga jednak ciągłego porównywania czasu z co najmniej dwóch zegarów atomowych.
Janwei Pan kierował zespołem, który przesłał dane pomiędzy systemem odbiorczym a zegarem atomowym na odległość 113 kilometrów. Po 10 000 sekund okazało się, że różnice między oboma systemami wynosiły mniej nią 4x10-19, co oznacza, że bezprzewodowego porównania czasu zegarów atomowych można dokonać z dokładnością 1 sekundy na 100 miliardów lat.
Nasza praca otwiera drogę do porównywania czasów zegarów atomowych znajdujących się na satelitach z zegarami atomowymi na Ziemi, mówi Pan. Jego zdaniem w przyszłości będą mogły powstać całe sieci zegarów optycznych, łączące pomiędzy sobą zegary znajdujące się na satelitach, zegary na satelitach z zegarami naziemnymi oraz zegary naziemne pomiędzy sobą. Chińczycy przygotowują się teraz do przeprowadzenia eksperymentów, w ramach których chcą sprawdzić przekazywanie danych z zegarów atomowych zarówno pomiędzy satelitami, jak i pomiędzy satelitami a Ziemią. Mamy nadzieję, że niestabilność takiego systemu nie przekroczy 5x10-18 w ciągu 10 000 sekund, mówi Pan. Satelita, który posłuży tym eksperymentom, ma zostać wystrzelony w 2026 roku.
Chińscy naukowcy wykorzystali podczas swoich badań technologie opracowane na potrzeby chińskiego satelity Micius, który generuje kwantowo splątane pary fotonów. Służy on do badań nad bezpiecznym przesyłaniem informacji kwantowej. Zaangażowany jest w nie wybitny polski uczony, profesor Artur Ekert, jeden z twórców kryptografii kwantowej.
« 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
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Grupa ekspertów porównała trzy najlepsze na świecie zegary atomowe. Okazało się, że istnieją niespodziewane różnice w dokonywanych przez nie pomiarach czasu. Badania pozwolą na udoskonalenie przyszłych zegarów atomowych i mogą odegrać ważną rolę w ustaleniu nowego standardu sekundy, do którego to niezbędne jest wysyłanie na cały świat i porównywanie sygnałów z zegarów atomowych.
Specjaliści z Boulder Atomic Clock Optical Network Collaboration połączyli zegary za pomocą światłowodów i optycznych łączy bezprzewodowych i dokonali 10-krotnie bardziej dokładnych porównań niż dotychczas.
Zegary atomowe wykorzystują częstotliwość drgań atomów do niezwykle stabilnych pomiarów czasu. Obecny standard sekundy opiera się na drganiach atomów cezu pracujących z częstotliwością mikrofalową. Istnieją już jednak znacznie bardziej precyzyjne zegary atomowe wykorzystujące częstotliwość fali światła. Zegary te działają z dokładnością 1 części na 1018, są więc około 100-krotnie bardziej dokładne niż zegary cezowe.
Międzynarodowa społeczność metrologów ma zamiar zrezygnować ze standardu sekundy opartego na cezie i zastąpić go standardem wykorzystującym światło. Jednak najpierw trzeba wybrać, który z optycznych zegarów – a zbudowano ich już wiele według różnych technologii – posłuży za nowy standard. Naukowcy muszą więc porównać i ocenić te zegary, muszą więc mieć możliwość porównania generowanych przez nie sygnałów.
David Hume i jego koledzy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz University of Colorado porównali sygnały trzech zegarów atomowych z Boulder. Jeden z nich wykorzystuje atomy iterbu, drugi strontu, a trzeci jony glinu i magnezu.
Za pomocą światłowodu o długości 3,6 km porównano częstotliwości zegarów iterbowego (znajduje się w siedzibie NIST) oraz strontowego (jest na University of Colorado). Z kolei zegary iterbowy i magnezonowo-glinowy (oba są w NIST) połączono za pomocą 1,5 kilometrowego bezprzewodowego łącza optycznego. Specjaliści wykorzystali optyczne grzebienie częstości, które pozwoliły im porównywać sygnały w różnych częstotliwościach.
Optyczne łącze bezprzewodowe okazało się bardzo odporne na zakłócenia powodowane przez turbulencje powietrza. Z wyjątkiem sytuacji, gdy pomiarów dokonywano w czasie burzy śnieżnej, były ono równie stabilne i wydajne, co łącze przewodowe.
Ekspertom udało się zmierzyć stosunek częstotliwości trzech par zegarów z dokładnością 1/1018. Dotychczas podobne pomiary były dokonywane z dokładnością 1/1017.
Zegary porównywano przez wiele miesięcy, a naukowcy zauważyli niespodziewane różnice pomiędzy poszczególnymi dniami. To wskazuje, że eksperci nie do końca rozumieją, co wpływa na wydajność i sposób pracy zegarów. Można je zatem udoskonalić.
Możliwość lepszego porównywania zegarów atomowych przyda się nie tylko podczas ustalenia nowego standardu sekundy, ale przyniesie korzyści innym dziedzinom nauki. Zegary atomowe położone na różnej wysokości mogą być używane do pomiarów niewielkich przesunięć skorupy ziemskiej spowodowanych topnieniem lodowców czy rosnącym poziomem oceanów. Różnice pomiędzy zegarami atomowymi mogą też zostać wykorzystane do wykrycia ciemnej materii.
Wyniki badań opisano na łamach Nature.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.