211service.com
Fysikere afslører verdens mest præcise ur (og en tvilling at sammenligne det med)
Ure er en af de muliggørende teknologier i den moderne verden. Uden meget nøjagtige ure ville det globale positioneringssystem ikke fungere korrekt, og det ville heller ikke være muligt at synkronisere netværk over store afstande. Og fysikere er afhængige af ure til at teste universets grundlæggende love til stadigt dybere niveauer.
Så at have mere præcise og pålidelige ure er et vigtigt mål.
I dag afslører Andrew Ludlow ved National Institute of Standards and Technology i Boulder og et par venner de to mest nøjagtige ure, der nogensinde er bygget. De siger, at deres nye ure kan holde tiden med en hidtil uset præcision på én del i 10-18.
Ludlow og co sætter dette i perspektiv: En måling på 1018-brøkniveau svarer til at angive alderen af det kendte univers med en præcision på mindre end et sekund eller Jordens diameter til mindre end bredden af et atom.
Deres ur er et simpelt udyr, i hvert fald i princippet. Den grundlæggende idé er, at et sekund kan defineres ved frekvensen af lys, der udsendes af et atom, når elektroner i grundtilstanden hopper til en anden tilstand.
Vanskeligheden er at måle denne frekvens nøjagtigt. Det skyldes, at enhver lille bevægelse af atomet genererer en Doppler-effekt, der skifter frekvensen. Hvad mere er, kan omstrejfende elektriske felter skifte disse elektroniske overgange, ændre deres frekvens, et fænomen kendt som et Stark-skift. At overvinde disse små fejlkilder er den største udfordring i at bygge nøjagtige ure.
Ludlow og venner har gjort det ved hjælp af en teknologi kendt som et optisk gitterur. I denne tilgang afviser de en laser fra et spejl for at skabe en stående bølge af lys, som danner et gitter til at fange atomer. Dette er en slags æggekasse, hvori atomerne sidder.
De fylder derefter denne æggekasse med ytterbium-atomer og zapper dem med en anden laser for at se frekvensen, hvormed den elektroniske overgang sker.
Æggekassen er vigtig, fordi den holder atomerne i et skruestik-lignende greb, der minimerer eventuelle Doppler-effekter.
Imidlertid genererer elektriske felter forbundet med lyset et Stark-skift. Holdet kommer uden om dette ved at vælge en såkaldt magisk overgang i ytterbium, hvor begge elektroniske tilstande forskydes med samme mængde, hvilket efterlader overgangsfrekvensen uændret.
Og fordi ægkassen kan fyldes med mange atomer, kan Ludlow og co-kan foretage deres målinger ved hjælp af mange atomer, så de får et klarere signal.
Resultatet er et ur, der kun mister et tick i 1018 tocks.
Selvfølgelig er der ingen måde at måle nøjagtigheden af et enkelt ur, hvilket er grunden til, at disse fyre har to.
De nye ure muliggør umiddelbart en række nye og vigtige anvendelser. Disse ure er så følsomme, at de nemt kan måle gravitationsrødforskydningen, hvor ure tikker langsommere i kraftigere gravitationsfelter. Med andre ord kan de mærke ændringer i højden.
De bedste ure i dag er følsomme over for ændringer på mange meter eller kilometer. Det nye ur skulle være i stand til at skelne ændringer på omkring 1 cm ved jordens overflade. Det vil være til applikationer som hydrologi, geologi og måling af ispakkeændringer i klimaændringsstudier.
Det ville også fysikere at teste, om ting som gravitationelt rødt skift og den fine struktur konstant ændrer sig med position, vigtige fundamentale test af fysik.
Forbedringen af ure er en løbende proces, som menneskeheden har påtaget sig gennem flere tusinde år. Disse seneste ure er den imponerende kulmination på alt dette arbejde, og alligevel er de bundet til at blive formørket i en ikke alt for fjern fremtid.
Ludlow og co peger faktisk på forskellige forbedringer, som de skulle lave i den nærmeste fremtid for at gøre deres ur endnu bedre. Og når de gør det, bliver de næste ure endnu bedre. Sådan er teknologiens natur.
Ref: http://arxiv.org/abs/1305.5869 : Et atomur med 10-18 ustabilitet