물리학 자들은 원자 시계를 매우 정확하게 개발하여 140 억 년 안에 1 초도 안되는 시간을 낼 수있었습니다. 이런 종류의 정확성과 정밀도는 단순한 시계 그 이상입니다. 중력파를 측정하고 지구의 중력 형태를 측정하며 암흑 물질을 감지 할 수있는 강력한 과학 도구입니다.
그들은 어떻게 했습니까?
국립 표준 기술 연구소 (National Institute of Standards and Technology)의 물리학 자들은 새로운 원자 시계가 희토류 원소 이테르븀에 기반을두고 있다고 말합니다. 그들은 1000 개의 이테르븀 원자를 포획하기 위해 광학 격자 라 불리는 레이저 빔 그리드를 사용합니다. 원자는 자연적으로 두 에너지 레벨 사이를 전환함으로써 "틱"합니다. 이 행동을 원자 전자 전이라고하며, 나노초가 발생합니다. 그들이 틱하거나 에너지 레벨을 변경할 때마다 전자는 마이크로파 에너지를 방출하며, 이는 감지 될 수 있습니다. NIST 물리학 자들은이 이테르븀 시계 두 개를 만들었고, 그것들을 비교함으로써 기록적인 성능을 달성했습니다.
이 기록적인 성능은 세 가지 방식으로 측정됩니다.
- 체계적인 불확실성 : 이것은 시계가 이테르븀 원자의 자연 진동을 얼마나 잘 나타내는 지입니다. 이테르븀 시계는 10 억분의 1 억분 만에 달했습니다.
- 안정성 : 지정된 시간에 시계의 주파수가 얼마나 변하는 지입니다. 이 경우, 그들은 이테르븀 시계를 측정했으며 하루에 0.00000000000000000032 만 변경되었습니다.
- 재현성 : 두 개의 이테르븀 시계가 같은 주파수에서 얼마나 밀접하게 작동하는지 측정합니다. 한 쌍의 클록 사이의 10 개의 비교에서, 그 차이는 다시 10 억분의 1 억분의 1 이하였다.
프로젝트 리더 앤드류 루드 로우 (Andrew Ludlow)는“시스템 적 불확실성, 안정성 및 재현성은이 시계의 성능의 '왕실 플러시'로 간주 될 수있다. "우리가 재현성이라고하는이 전례없는 수준에서 두 시계의 합의는 본질적으로 다른 두 결과를 요구하고 입증하기 때문에 아마도 가장 중요한 결과 일 것입니다."
아인슈타인은 당신이받는 중력에 따라 시간이 다르게 지나간다는 것을 보여주었습니다. 원자력 시계에서 원자의 진드기는 강한 중력에서 관찰 될 때 느려집니다. 후지산 예를 들어 에베레스트는 마리아나 해구의 바닥보다 시간이 더 빨리 움직입니다. 지구의 중력이 지구 중심에 집중되어 있기 때문입니다. 중심에서 멀어 질수록 중력이 줄어 듭니다. 효과는 크지 않으며 아마도 백만 분의 1 초에 불과합니다. 그러나 거기에 있습니다. 어쨌든 반 직관적 인 것 같지만, 아인슈타인이 보여준 것이 맞았으며 그는 올바르게 증명되었습니다.
이 새로운 원자 시계의 예외적 인 점은 재현성이 입증되어 시계의 오류가 지구상의 시간에 대한 중력 효과를 감지하는 능력보다 낮다는 것을 의미합니다.
NIST 물리학 자 앤드류 루드 로우 (Andrew Ludlow)는 다음과 같이 설명합니다.“… 입증 된 재현성은 시계의 총 오차가 지구상의 시간에 대한 중력의 영향을 설명하는 일반적인 능력 아래로 떨어짐을 보여줍니다. 따라서 우리가 시계를 국가 나 세계에서 사용하는 것을 상상할 때, 상대적 성능은 처음으로 지구의 중력 효과에 의해 제한 될 것입니다.”
물리학 자들은 이제 정확도가 시간에 따른 중력 효과보다 큰 시계를 가지게되었으므로 시계를 사용하여 지구의 중력 모양을 측정 할 수 있다고 말합니다. 지구의 중력 모양을 측정하는 일반적인 방법은 조수를 측정하는 것입니다. 전세계에 배치 된 조력 게이지가 사용되지만 정확도는 몇 센티미터에 불과합니다. 새로운 시계는 정확도를 1 센티미터 미만으로 떨어 뜨릴 수 있습니다.
사실,이 이테르븀 시계는 지구의 중력 모양보다 훨씬 더 많은 것을 측정하는 데 사용될 수 있습니다. 우주 시간 자체를 측정하고 초기 우주의 중력파를 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 그들은 암흑 물질을 측정 할 수도 있습니다. 이 수준의 정확도와 정밀도에서이 계측기는 단순한 시계 그 이상입니다.
이테르븀 시계와 같은 시계에 영향을 줄 수있는 것은 중력 만이 아닙니다. 다른 환경 영향으로 기기의 정확도가 떨어질 수 있습니다. 냉각 된 상태로 유지해야하며 길잃은 전기장으로부터 격리되어야합니다. 새로운 시계는 전기 및 열 영향으로부터 보호되어 계산 및 수정 될 수 있습니다.
전기 및 열 차폐와 같은 개선으로 물리학 자들은 다른 시계로 측정하고 비교하기 위해 다른 실험실로 운송 할 수있는 휴대용 이테르븀 시계를 만들고 있습니다. 또한 상대 론적 측지 기술을 연구하기 위해 다른 위치로 이동할 수도 있습니다. 현재 우리의 최고의 원자 시계는 세슘 원자를 사용하여 두 번째 원자를 정의하는 소위“분수 클록”이기 때문에 게임 체인저가 될 것입니다.
그러나 그것은 모두 새로운 시계로 바뀔 수 있습니다.
이전의 원자 시계는 세슘 원소를 기반으로하며, 현재까지 가장 정확한 시간 기록을 제공했습니다. 세슘 원자의 진동은 1960 년대 이래 ISU (International System of Units)에서 1 초의 지속 시간을 정의하는 데 사용되었습니다. 그러나 이테르븀 시계가 개발됨에 따라 세슘의 시간이 다했을 수 있습니다.
최초의 세슘 시계는 1955 년에 지어졌으며 그 이후로 표준이되었습니다. 두 번째에 대한 공식적인 정의는 1967 년 이래로 사용되고 있습니다. 세슘 133 원자의 상태.” 그리고 1997 년에 그들은 세슘이 0 켈빈에 있어야한다는 것을 명확히했다.
다른 원자 시계는 루비듐을 사용하여 제작되었으며 휴대 가능합니다. 세슘만큼 정확하지는 않지만 GPS, 휴대 전화 기지국 및 TV 방송국의 주파수를 제어하는 데 충분합니다. 그러나 이테르븀 원자를 사용하는 새로운 원자 시계의 개발로, 우리는 전례없는 과학적 정확성과 휴대 성이라는 두 가지 세계를 모두 가질 수 있습니다.
새로운 이테르븀 원자 시계는 1 초가 얼마나 걸리는지에 대한 정의를 재정의하는 주요 후보입니다. 국제 단위 시스템에서 정의한 정확도 임계 값을 충족하기 때문입니다. 그기구는 새로운 정의는 현재 두 번째 정의에 사용 된 세슘 클럭보다 검증 된 정확도를 100 배 개선해야한다고 말했다.
우리는 지구의 회전으로 시간을 정의했지만 그 이후로 먼 길을 왔습니다. 희토류 원소의 틱 속도를 사용하여 지구의 중력 모양, 초기 우주의 중력파, 그리고 어둡기까지도 측정 할 수 있습니다. 태양 다이얼을 만드는 지상.
- 보도 자료 : NIST 원자 시계로 지구 모델을 개선하기에 충분한 시간 유지
- 연구 논문 : 측지 한계를 넘어 원자 시계 성능
- MIT 뉴스 : 이동 중에도 원자 시간 기록
- 위키 백과 : 원자 시계
- Wikipedia : 세슘 표준
- 위키 백과 : 원자 전자 전이
