Erkių triukai | gamtos fizika

Erkių triukai | gamtos fizika

Anonim

Dalykai

  • Optinė metrologija
  • Kvantinė metrologija
  • Mokslo bendruomenė ir visuomenė

Laikrodžiai su optiniais grotelėmis išstūmė dažnio matavimo ribas - tiek, kad nedidelis aukščio skirtumas turi įtakos laikrodžio įspaudimo greičiui, kaip aiškina „Hidetoshi Katori“ .

Nei vienas matavimas negali būti paprastesnis už erkių skaičiavimą, kad tikslumas, taigi ir laikas, būtų kuo tiksliau išmatuojamas. Norėdami nustatyti pamatinį erkių dažnį, žmonės visada siekė stabilių natūralių periodinių reiškinių. Dangaus kūnų judesys ilgą laiką buvo naudojamas apibrėžti „astronominę sekundę“. Tačiau išradus atominį laikrodį, kuriame kaip švytuoklė naudojamas Cs mikrobangų perėjimas, paaiškėjo, kad astronominė sekundė rodo dreifą. Tai paskatino iš naujo apibrėžti SI („ Système International“ ) antrąją 1967 m., Remiantis minėto Cs dažnio nustatymu iki

Image

= 9 192 631 770 Hz.

Lazerio išradimas 1960 m. Paskatino fizikus ieškoti geresnio švytuoklės, svyruojančios optiniu dažniu: didesnis dažnis ν 0 pagerintų laikrodžio neapibrėžtį Δ ν / ν 0, atsižvelgiant į nurodytą matavimo neapibrėžtį Δ ν . 1981 m. Hansas Dehmeltas pasiūlė „optinį laikrodį“, kurio numatoma neapibrėžtis Δ ν / ν 0 = 10 −18, remiantis vieninteliu jonu Paulo gaudyklėje 1 . Paulo gaudyklė riboja joną minimaliu harmoninio potencialo, kurį sukuria svyruojantis kvadrupolio elektrinis laukas, kur sietinio atominio švytuoklės virpesių dažnis ν 0 = ( E 2 - E 1 ) / h (kai h yra Plancko konstanta ir E 1 ir E 2 „laikrodžio būsenų“ energija) nesibaigia spąstais laukas. Tačiau, kaip ir visus atominius laikrodžius, šį idealiai suprojektuotą vieno jonų laikrodį iš esmės riboja kvantinis matavimo pobūdis 2 .

Image

Dažnio neapibrėžtis Δ ν apskaičiuojama pagal atvirkščią laikrodžio perėjimo stebėjimo laiko vertę. Vieno atomo neapibrėžtį galima statistiškai pagerinti √ N kartojant matavimus ir padidinant bendrą atominių matavimų skaičių N. Darant prielaidą, kad jonas su įstrigusiu ν 0 ≈ 10 15 Hz ir stebėjimo laikas 1 s, Δ ν / ν 0 = 10 −18 pasiekiamas pakartojant N = 10 6 matavimus, kurie užtruktų 10 6 s (apie 10 dienų). . Tokiu būdu tikslus atominės švytuoklės dažnio nustatymas yra daug laiko reikalaujanti užduotis.

Vienu metu stebint milijoną atomų, matavimas būtų baigtas per vieną sekundę. Dešimtojo dešimtmečio pradžioje buvo sukurta „optinė grotelė“, leidžianti milijonus neutralių atomų sulaikyti stovinčioje šviesos bangoje (schematiškai pavaizduota) erdviniu būdu moduliuojant atomų energiją. Tai, kad visos laikrodžio būsenos turi vienodą energijos poslinkį, kad pertraukimai dėl gardelės spąstų efektyviai atsikratytų, leido optiniam tinkleliui tapti nauja platforma laikrodžių statybai 3 .

Iki šiol optiniai groteliniai laikrodžiai buvo pasiekę net dviem laipsniais didesnį neapibrėžtį nei tas, kurį realizuoja SI sekundė, parodydami, kad SI apibrėžimas yra būdingas. Dažnio matavimai iš esmės priklauso nuo santykio matavimų. Pavyzdžiui, norint apibūdinti stroncio švytuoklės dažnį ν Sr, SI apibrėžime reikalaujama išmatuoti santykį R = ν Sr / ν Cs nuo cezio švytuoklės, o po to padauginti iš

Image

. Iki šiol

Image

= 429, 288, 004, 229, 873, 2 (2) Hz yra geriausiai apibūdinamas dažnis SI, kur 16 skaitmenų skaičių riboja tik apibrėžimas. Kai bus nustatytas patikimas ryšys tarp naujojo laikrodžio ir SI sekundės, mokslininkai gali laisvai aprašyti bet kokius dažnius, viršijančius SI neapibrėžtį, matuojant kitus koeficientus 4, tokius kaip ν Yb / ν Sr, išlaikant suderinamumą su ankstesniu apibrėžimu per

Image

, pavyzdžiui.

Šie dažnio santykiai, laikomi konstantomis be matmenų, turėtų išlikti tokie patys, kai tik matuojama. Jei, matuojant iki šiol neištirtu tikslumu, santykis pasikeistų laikui bėgant ar erdvėje, atsirastų naujų klausimų - galimybė suabejoti fizikos pagrindais yra svarbus stimulas kurti vis geresnius laikrodžius.

Be to, ypač tikslūs laikrodžiai leidžia ištirti erdvėlaikio kreivumą, nurodytą Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijoje. Žemėje laikrodis, pastatytas vienu centimetru aukščiau kito, įsisiurbia greičiau 10–18 . Taigi tinkle esantys laikrodžiai gali būti naudojami kaip geopotenciški skaitikliai 5 . Iki šiol geoidas (gravitacinis ekvivalentinis paviršius, kuris sutampa su vidutiniu jūros lygiu) buvo pakankamai stabilus, kad būtų išlaikytas tarptautinis atominis laikas (TAI) su neapibrėžtimi ∼ 5 × 10 –16, pataisant pirminio Cs nuolatinę relativistinę laiko dilataciją. laikrodžiai. Dinaminė potvynio banga, atsirandanti dėl saulės ir mėnulio, kuri yra mažesnio laipsnio nei TAI neapibrėžtumas, niekada nebuvo apribojimas išlaikyti šią pasaulinę laiko skalę. Išmatuotas patobulintais laikrodžiais, tačiau tai, ko tikėjomės, bus pastovus, gali nebūti pastovus: šiandienos laikrodžiai yra pasirengę atskleisti pusdienio potvynių svyravimus ir gali išbandyti konstantų stabilumą ir erdvės izotropiją.