• Sunday July 21,2019

Jam Lebih Penuh Daripada Masa

Anonim

Sebelum Robert Drullinger mencipta jam atomnya yang terakhir, dia pergi melalui apa yang mungkin dipanggil fasa pembongkarannya. Drullinger, yang bekerja untuk Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan (NIST) di Boulder, Colorado, telah mengenal pasti potensi pam optik, teknologi pemenang Hadiah Nobel yang dicipta pada tahun 1950 oleh ahli fizik Perancis, Alfred Kastler. Pemetaan optik menggunakan rasuk cahaya untuk memanipulasi atom, yang, Drullinger menyedari, dapat bertindak sebagai pengawas waktu di jam atom. Pertama, bagaimanapun, dia memerlukan rasuk cahaya yang betul.
Lamps tidak cukup kuat untuk apa yang dia fikirkan. Hanya laser yang boleh dilakukan. Dan bukan hanya laser, kata Drullinger, tetapi yang dapat dijalankan pada skala jam, yang akan beroperasi ketika punggung anda berubah, siang dan malam, selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun. Yang pertama untuk menyesuaikan bil adalah peranti mikroskopik yang dipanggil laser diod, yang mula muncul secara komersil dalam pemain cakera padat pada awal 1980-an. Dan apabila pemain cd memukul pasaran, Drullinger dan rakan-rakannya turun ke kedai stereo tempatan, membeli satu, membongkarnya, mengeluarkan laser diod, melemparkan sisanya, dan meletakkan laser untuk digunakan pada jam atom baru mereka. Kami terpaksa berbuat demikian selama beberapa tahun, katanya, sehingga anda boleh membeli secara langsung laser. "
Ekspresi muktamad perjalanan ini dari genius Kastler ke dalam teknologi stereo rumah adalah jam yang dikenali sebagai NIST-7, yang merupakan salah satu daripada dua pengawas waktu yang paling tepat di dunia. Jam itu - meriam perak sepuluh kaki panjang - terletak di makmal NIST yang terletak di kaki Gunung Rocky, dan diselaraskan kerana barat. Dengan cara itu matahari bergerak melintasi langit sejajar dengan jam itu sendiri, dan juga interaksi radiasi matahari di medan magnet Bumi tidak mengganggu ketepatan jam. Sesungguhnya, ia hampir hampir sempurna, sekurang-kurangnya untuk masa ini, NIST-7 berada di luar bidang yang boleh diukur.
NIST-7 boleh dibandingkan, kata Drullinger, hanya untuk matlamat kebenaran ideal yang tidak dapat dicapai, beberapa kebenaran mitos, yang mana ia akan tetap tepat pada tempat perpuluhan yang keempat belas yang kedua. Dalam erti kata lain, apabila NIST-7 mencatatkan laluan kedua, ia tidak menghitung pemberian kedua atau mengambil sejuta, sebagai jam tangan kuarza yang baik mungkin. Masa NIST-7 adalah sejajar dengan sekurang-kurangnya seratus satu trilion detik yang ideal. Sekiranya NIST-7 berjalan begitu lama, ia akan mendapat atau kehilangan hanya satu saat lebih daripada 3 juta tahun.
NIST-7 juga dinosaur, yang terakhir dari jenisnya. Ini jam yang sangat baik, tetapi sebagai Drullinger akan memberitahu anda, ada sedikit sebab untuk membina yang lain seperti itu. Generasi jam yang akan datang perlu lebih tepat lagi. Drullinger sedang mengusahakan jam atom yang mungkin tepat pada tempat perpuluhan yang keenam belas detik yang ideal (dengan itu kehilangan atau memperoleh satu saat hanya 300 juta tahun); satu pasukan penyelidik yang diketuai oleh David Wineland, yang bekerja di sebuah makmal di sebelah, sedang mengusahakan jam atom generasi akan datang yang seterusnya, yang dia harap akan menyimpan waktu yang tepat ke tempat perpuluhan kelapan belas detik. Itu bererti 30 bilion tahun akan berlalu sebelum ia menyimpang sebanyak sebulan dari kebenaran yang ideal.
Ia menggoda untuk berfikir bahawa dengan masa depan generasi berikutnya Wineland, pembuat jam NIST akan mempunyai permintaan untuk ketepatan kronometrik yang dilindungi, tetapi itu tidak mungkin berlaku. Sejak ahli-ahli sains NIST mula membina jam pada tahun 1950-an (ketika institut itu dikenali sebagai Biro Kebangsaan Standard, atau nbs), ketepatan jam tangan mereka telah bertambah baik dengan faktor sepuluh setiap tujuh tahun atau lebih (dari nbs 's jam atom pertama, yang tepat kepada .0000001 kedua sesaat, kepada NIST-7, yang menjadikannya sejati .00000000000001 kedua sesaat). Ia memerlukan penyelidik sedekad sekurang-kurangnya untuk membangunkan jam baru, tetapi apa sahaja yang mereka buat cenderung untuk mencari aplikasi komersial dengan cepat. Ketika mereka mula membina NIST-7, misalnya, pembuat jam dapat melihat tidak ada keperluan jelas atau segera untuk jam yang menandakan detik yang ideal untuk 14 tempat perpuluhan. Walau bagaimanapun, pada tahun 1993, apabila jam itu selesai, pembuat jam komersil telah menjual jam atom untuk hanya $ 50, 000 atau supaya ia tetap tepat pada tempat perpuluhan yang kedua belas, dan jam-jam itu memerlukan jam dengan ketepatan yang lebih baik lagi - iaitu, NIST-7 - untuk menetapkannya.
Sekarang pembuat jam dari NIST bekerja pada andaian bahawa permintaan jangka panjang untuk ketepatan kronometrik tidak dapat dipuaskan. Keperluan itu pada awalnya didorong oleh sains, tetapi pengguna komersial tidak jauh di belakang. Drullinger menyebutnya sebagai hierarki pengguna. Yang paling menuntut, katanya, adalah agak esoterik: ahli astrofizik, yang mengetepikan denyutan faktual yang menepati bintang-bintang yang dikenali sebagai pulsar millisecond, dan pada, yang memerlukan masa ke masa perintah navigasi itu dihantar ke probe ruang jauh. Kemudian datang komuniti yang sedikit kurang ketat: orang yang bekerja dengan telekomunikasi, sistem kedudukan global, keselamatan, dan pertahanan, yang semuanya ingin menghantar atau menerima isyarat dengan ketepatan yang ketujuhbelas detik.
Seterusnya dalam permintaan adalah komuniti besar pengguna komersial yang penting untuk memastikan masa yang tepat atau kekerapan yang tepat. (Kekerapan, selepas semua, hanyalah bilangan kejadian beberapa fenomena biasa setiap saat atau jam atau apa sahaja, seperti kitaran sesaat, atau hertz, yang digunakan untuk menggambarkan isyarat elektromagnet yang dihantar oleh stesen radio dan diterima oleh kereta anda radio.) Sebagai contoh, stesen televisyen dan radio perlu menyiarkan pada frekuensi tertentu yang ditetapkan pada spektrum elektromagnet - katakan 102.5 megahertz, iaitu 102.5 juta kitaran sesaat - dan oleh itu mereka perlu mengetahui panjangnya dengan ketepatan yang sangat tinggi. Begitu juga, untuk dua komputer untuk berkomunikasi, mereka perlu tahu bila untuk mula mendengar dan bila berhenti mendengar dan mula menghantar. Sekiranya mereka menyalurkan data pada kadar 14 juta kitaran sesaat (14 megahertz), kelajuan modem yang agak laju dalam komputer desktop, maka mereka lebih baik dapat menyegerakkan penghantaran mereka ke dalam sejuta detik . Sebenarnya, sesiapa yang mempunyai jam dan keperluan untuk mengetahui masa itu, atau dua jam dan keperluan untuk menyegerakkannya, memerlukan jam yang lebih baik untuk menetapkannya dan memastikannya tepat. Dan pada masa ini, fabrik masyarakat moden bersatu dengan teknologi elektronik yang secara kerap menghantar dan menerima isyarat yang disegerakan untuk satu bilion detik.
Keperluan yang tidak dapat dipenuhi untuk timepieces yang luar biasa tepat adalah masalah, bagaimanapun, kerana tidak ada kedua sejagat yang mana jam dapat dibandingkan. Lama satu adalah konvensyen manusia. Pada tahun 1820-an Perancis menerangkannya sebagai 1 / 86, 400 dari hari solar bermakna, 86, 400 adalah apa yang anda dapat apabila anda membiak 24 (jam) sebanyak 60 (minit) sebanyak 60 (saat). Takrif itu mungkin kekal berguna kerana hari solar bermakna menjadi konsep yang tegar. Tetapi, seperti yang dikatakan oleh Drullinger, Bumi bukan pemutar yang sangat stabil; ia meletup dan jeritan dan goyangan. Ia juga secara beransur-ansur perlahan oleh beberapa sepersepuluh juta tahun kedua setiap tahun, yang semuanya bermakna bahawa putaran bumi bukan jam yang baik oleh piawaian moden.
Jam, jam apa pun, hanyalah peranti yang menjejaki beberapa acara berkala; ia boleh dipecah menjadi sesuatu yang berayun atau bergema - pendulum dalam jam datuk, misalnya - dan yang lain, kerja jam, yang mengira ayunan dan menggerakkan tangan. Jam yang sesuai, kemudian, memerlukan pengayun yang ideal, yang berayun dengan ketepatan yang sempurna dan kestabilan yang sempurna dan akan terus melakukannya selama berapa lama anda mahu jam anda berjalan. Selain itu, pengayun ini juga perlu ditukar dengan sempurna dari jam ke jam, yang tidak berlaku dengan pendulums dalam jam datuk atau juga kristal kuarza dalam jam tangan. Kristal kuarza akan bergetar pada kekerapan pilihan tertentu apabila terpesona oleh arus elektrik. Getaran ini berfungsi sebagai pengayun jam, tetapi frekuensinya - bilangan kali kristal berayun sesaat - akan bergantung kepada ketebalan kuarza. Jadi dua jam kuarza akan menyimpan masa yang sama hanya setakat yang pembuat jam dapat memotong kristal mereka dengan ketebalan yang sama. Adapun jam datuk, kata Drullinger, pendulum saya mungkin panjang yang berbeza dari kamu, yang bermaksud jam kakeknya mungkin berjalan lebih cepat atau lebih lambat daripada kamu.
Atom adalah sangat boleh dipercayai, kerana frekuensi di mana mereka boleh mengeluarkan dan menyerap tenaga elektromagnetik ditetapkan oleh undang-undang mekanik kuantum. Atas sebab ini, sejak tahun 1967, panjang yang dibenarkan secara seperlima telah ditentukan oleh piawaian atom: satu detik adalah sama dengan 9, 192, 631, 770 ayunan radiasi yang dipancarkan atau diserap oleh atom-atom caesium 133 apabila mereka menjalani apa yang dikenali sebagai hiperfin peralihan. Sekiranya dirawat dengan betul, mana-mana atom cesium 133 akan memancarkan atau menyerap tenaga kekerapan ini, seperti garpu tuning akan bergetar pada frekuensi yang dipilih - katakan, 440 kitaran sesaat A di atas tengah C - dan memancarkan gelombang bunyi dengan kekerapan yang sama. Sesiapa yang mempunyai akses kepada sesium dan keupayaan teknologi untuk menyatukan jam atom boleh melakukannya dan tahu bahawa jam akan berjalan ke drumbeat kuantum yang sama seperti setiap jam atom sesium lain.
Seperti yang dinyatakan oleh Wineland, tidak ada apa-apa yang ajaib tentang sesium - ia dipilih sebagai standard daripada setengah dozen calon yang sama baiknya kebanyakannya kerana ia agak mudah untuk bekerja dengan. Drullinger masih menggunakan sesium untuk jam generasi seterusnya. Sementara itu, Wineland telah beralih ke merkuri untuk generasi akan datang yang akan datang.
Kedua-dua Drullinger dan Wineland secara berkesan menggunakan strategi pembuatan jam yang sama, yang akan secara sistematik untuk setiap pengaruh di luar yang dapat mengganggu atom semasa ia bergema. Sifat kuantum atom memberikan pengayun yang hampir sempurna untuk dibentuk semula sebagai alam semesta yang diketahui mungkin ditawarkan. Ia ketika dunia di luar atom memasuki persamaan yang ketepatannya mulai turun. Sebagai contoh, atom boleh berlanggar dengan satu sama lain, atau mereka mungkin terkena radiasi elektromagnet, medan magnet, dan sebagainya, semuanya akan melancarkan radas timekeeping dalaman mereka. Malah gerakan atom akan mengubah kekerapan ketuhar gelombang mikro yang mereka pancarkan, kesan yang dikenali sebagai pergeseran Doppler, yang lebih dikenali apabila ia berlaku untuk melatih whistles. Frekuensi akan didorong lebih tinggi jika atom (atau kereta api) bergerak ke arah anda, dan lebih rendah jika ia bergerak ke arahnya.
Oleh itu, pembuat jam atom cuba menghilangkan gangguan rutin, satu demi satu jika perlu. Terdapat satu senarai cucian yang perlu dilalui, kata Wineland. Dengan setiap item dalam senarai, mereka menolak ketepatan jam atom mereka ke arah titik perpuluhan seterusnya. Walaupun, Drullinger nota, senarai itu tumbuh ketika anda memindahkan titik perpuluhan ke atas, yang bermaksud, tentu saja, bahawa mereka tidak boleh sampai ke penghujungnya.
Senarai cucian bermula dengan atom itu sendiri. Kekerapan ayunan mesti sangat tepat dan relatif kebal terhadap pengaruh luaran. Walaupun semua atom akan memancarkan dan menyerap frekuensi tanda tangan radiasi elektromagnet, frekuensi ini biasanya sesuai dengan elektron di sekeliling atom yang melompat dari satu orbit ke yang lain seperti yang dibenarkan oleh undang-undang mekanik kuantum. Tetapi peralihan ini, seperti yang mereka panggil, biasanya tidak tepat. Elektron akan melompat dari orbit ke orbit dengan cepat, dan semakin cepat mereka melakukannya, kurang tepatnya adalah frekuensi radiasi mereka - tenaga yang mereka bawa atau menyerap sedikit kabur, mungkin anda katakan. Semuanya datang kepada prinsip ketidakpastian Heisenberg, kata Drullinger. Semakin sedikit masa anda perlu melakukan sesuatu, semakin kurang anda tahu mengenainya. Oleh kerana perubahan ini berlaku dengan sangat cepat, ia meninggalkan keraguan tentang apa yang sedang berlaku. Hasilnya adalah tandatangan tenaga yang kabur.
Pembuat jam memerlukan tenaga mereka untuk dijelaskan dengan pantas, yang bermakna mereka memerlukan elektron untuk kekal dalam tahap tenaga yang baru selama mungkin. Atom caesium 133 berlaku mempunyai dua tahap tenaga yang dikenali sebagai keadaan hyperfine, yang hanya berbeza bagaimana medan magnet elektron terluar mereka sejajar. Bidang medan elektron itu dapat menunjukkan sama ada dalam arah yang sama dengan medan magnet nukleus atom atau dalam arah yang bertentangan tepat, dan kedua kemungkinan ini dikenali sebagai keadaan hyperfine. Negeri hyperfine tidak mungkin berubah dari satu ke yang lain, melainkan jika seseorang - kata ahli fizik di makmal - membuat mereka berubah. Sekiranya anda mengasingkan satu atom dan meletakkannya di salah satu daripada dua keadaan hyperfine yang mungkin, kata Chris Monroe, yang bekerja dengan Wineland, ia akan tinggal di sana selama puluhan ribu tahun.
Apabila elektron tidak mempunyai flip dari satu keadaan ke yang lain, itu adalah peralihan hyperfine. Ia seperti suis kecil dalam atom, yang boleh diubah hanya dengan frekuensi radiasi elektromagnet yang tepat. Cesium akan membalikkan keadaan hyperfine hanya jika anda mengecasnya dengan gelombang mikro yang hampir 9.192.631.770 kitaran sesaat - kira-kira tiga kali frekuensi yang dihasilkan dalam ketuhar gelombang mikro, kata Drullinger. Anda boleh memikirkan setiap atom caesium, katanya, sebagai radio atom yang suka mengambil satu stesen - satu penyiaran di 9.192.631.770 hertz. Dan apabila ia mendengar stesen itu, ia membaling dari satu keadaan hyperfine ke yang lain.
Sekarang, tugas jam atom adalah untuk mengambil penjana gelombang mikro - apa yang disebut sebagai pengayun makmal - dan menyesuaikannya dengan tepat kekerapan peralihan hyperfine dalam atom sesium, dengan menggunakan flips dari satu keadaan ke lain sebagai isyarat bahawa pengayun berada pada kekerapan yang betul. Drullinger dan ahli jamnya bercakap tentang meneliti atau menginterogasi atom sesium dengan gelombang mikro. Ia seolah-olah mereka bertanya kepada mereka Adakah ini frekuensi yang betul? Apabila jawapannya anda mati, "iaitu ketika gelombang mikro membuat atom cesium flip, maka jam berfungsi untuk memelihara gelombang mikro pada kekerapan itu dan menggunakannya untuk menandakan hampir detik ideal.
Keberanian teknologi itu kembali 60 tahun, kepada ahli fizik Columbia II Rabi yang legenda (yang memenangi Hadiah Nobel pada tahun 1944), dan ahli fizik Harvard Norman Ramsey, yang menyempurnakan teknologi Rabi pada tahun 1950-an (dan memenangi Hadiah Nobel pada tahun 1989). Di tengah-tengah semua itu adalah gelung maklum balas. Ia bermula dengan peranti mudah yang menghasilkan pancaran atom sesium. Atom-atom ini melewati jumlah penapis (sama ada magnet atau, dengan pam optik, laser) yang meninggalkan semua atom dalam keadaan hyperfine tunggal. (Ini tidak menjadi salah satu dari kedua-dua, selagi semuanya berada dalam keadaan yang sama.) Atom-atom ini kemudian dilepaskan oleh gelombang mikro dari penjana gelombang mikro. Jika kekerapan gelombang mikro sangat dekat dengan kekerapan sesium, menerangkan Drullinger, atom-atom akan terbalik dari keadaan hyperfine yang kita pilih ke negeri yang kita lontarkan. Semakin dekat frekuensi gelombang mikro ke 9.192.631.770 kitaran sesaat yang ideal, semakin banyak atom caesium akan menyerapnya, menyerap gelombang mikro, dan flip ke keadaan baru. Elektronik mudah kemudian mengira mereka yang terbalik. Apabila jumlah atom cesium yang terbalik tidak dapat ditingkatkan dengan menaikkan penjana gelombang mikro, ia bermakna frekuensi penjana gelombang mikro kini dikunci ke kekerapan sesium - penjana kini ditala ke 9, 192, 631, 770 kitaran setiap kedua. Sekarang jam atom akan menandakan detik ideal, atau sekurang-kurangnya detik yang ideal untuk batas teknologi.
Itulah senario asas, walaupun agak mudah dipermudahkan. Seperti yang anda jangkakan, ada penjelasan teknologi. Contohnya, seperti yang diterangkan oleh Drullinger, mereka sebenarnya zap atom sesium dua kali dengan gelombang mikro - atau menginterogasi mereka dua kali, kerana dia meletakkannya. Gelombang mikro diarahkan ke dalam dua zon yang berbeza, yang di NIST-7 adalah lima kaki. Ini bermakna atom sesium mendapat zakar oleh gelombang mikro, pantai selama lima kaki, kemudian terkena lagi. Dengan membiarkan pantai atom sejauh mungkin antara soal siasat, pembuat jam memaksa frekuensi gelombang mikro menjadi lebih tepat dikunci ke frekuensi hyperfine atom.
Untuk memahami logik di tempat kerja di sini, bayangkan bahawa anda ingin menyegerakkan kelajuan jam anda sendiri (dalam kes ini, penjana gelombang mikro) dengan jam yang lebih baik (atom). Menetapkannya pada masa yang sama sekali tidak berjaya. Anda ingin memastikan bahawa mereka bukan sahaja ditetapkan pada masa yang sama tetapi terus berjalan pada kelajuan yang sama, yang bermaksud mengambil sedikit masa untuk menyegerakkannya sekali dan kemudian membiarkan mereka lari, berkata, 24 jam dan memeriksa kerja asal anda untuk melihat sejauh mana ia dipegang. Sekiranya jam anda berjalan sedikit perlahan atau kurang pantas selepas 24 jam, anda boleh menyegerakkan semula masa, menyesuaikan kelajuan dengan sewajarnya, dan biarkan mereka pergi lagi. Lebih lama selang antara penyegerakan dan semak, lebih baik anda. Oleh itu, pembuat jam memisahkan kedua-dua zon gelombang mikro sejauh yang mereka boleh sebelum mereka mula memperkenalkan lebih banyak masalah dengan mempunyai jam yang besar dan tidak berat.
Kelayakan selanjutnya, Drullinger menegaskan, tidakkah zon gelombang mikro sebenarnya membalikkan semua atom dari satu keadaan hyperfine ke yang lain. Semasa siasatan gelombang mikro pertama, atom hanya semacam terbalik ke dalam keadaan baru. Inilah Drullinger memanggil salah satu daripada perkara-perkara aneh mekanik kuantum, di mana atom tidak berada dalam satu keadaan atau yang lain tetapi dalam apa yang disebut superposisi kedua-duanya. Apabila mereka melanda zon kedua, mereka mendapat zapped sekali lagi dan menolak lebih dekat dengan keadaan baru. Tidak sampai mereka memukul penapis laser kedua mereka menolak ke keadaan akhir itu.
Dengan frekuensi gelombang mikro dikunci ke frekuensi sesium, dan jam atom sepatutnya menandakan detik yang hampir hampir ideal, Drullinger boleh bertanya retorik, Adakah betul? Nah, bagaimana mungkin ia salah? Oh, Murphy mempunyai satu juta cara yang salah, dan tugas kami adalah untuk mengetahui setiap cara Murphy boleh menyelinap di sana. Sekarang senarai cucian bermula. Apabila pembuat jam mengetahui bagaimana setiap item di atasnya menjejaskan jam - sama ada ia membuat kehilangan trilion per detik setiap saat, atau memperoleh kuadrilintis, atau apa sahaja - mereka boleh menambah semua ketidakpastian ini dan mengira pada titik perpuluhan masa jam dan masa yang sesuai menjadi cara yang berasingan.
Dengan pendahulunya NIST-7, nbs-6, misalnya, mereka mempunyai jam yang menandakan detik yang sesuai untuk 13 tempat perpuluhan dan kemudian divergen kerana cara penapis magnetik memilih keadaan hyperfine tunggal. Penuras menyebabkan atom cesium untuk melancarkan trajektori yang sangat sedikit melengkung. Atom yang lebih cepat akan mengambil lengkung sedikit lebih jauh daripada atom yang lebih perlahan, dan ketika gelombang mikro bertanya sama ada mereka berada pada kekerapan yang betul, mereka akan mendapat jawapan yang sedikit berbeza jika mereka meminta atom lebih cepat. Hasilnya adalah kesilapan yang menjalar di tempat perpuluhan ke-13.
Jadi Drullinger dan rakan-rakannya menghabiskan sepuluh tahun belajar untuk membuat jam yang boleh digunakan yang menggantikan magnet dengan pancaran laser dan pam optik Kastler. Jam yang dihasilkan, NIST-7, sepuluh kali lebih tepat daripada nbs-6 dan mula kehilangan sentuhan dengan detik yang ideal di tempat perpuluhan yang keempat belas.
Dengan tempat perpuluhan kelima belas, faktor penghadaman dalam jam atom nampaknya bahawa atom-atom sesium bergerak sama sekali. Atom menggeletar di antara dua zon gelombang mikro pada kira-kira satu seratus detik; ia seolah-olah anda menyegerakkan kedua-dua jam anda pada tengah malam dan kemudian memeriksa mereka sekali lagi seratus kemudian. Sekiranya anda boleh menunggu sekejap penuh (atau sehari atau sebulan) untuk memeriksa semula, anda boleh menyegerakkan jam yang lebih baik. Semakin perlahan atom bergerak, semakin lama waktu antara dua interogasi dengan gelombang mikro, dan lebih baik frekuensi gelombang mikro dapat dikunci pada waktu atom. Untuk menjadikannya lebih daripada tempat perpuluhan yang kelima belas, Drullinger dan Wineland harus memperlahankan atom-atom, atau bahkan menghentikannya.
Teknologi yang diperlukan untuk melakukan ini, yang dikenali sebagai penyejukan laser, adalah sesuatu yang Wineland dan Drullinger mula-mula bekerjasama di belakang pada tahun 1977. Ini cara untuk membawa atom berhenti dengan membombardir mereka dengan foton dalam pancaran laser. James Bergquist, yang bekerja dengan Wineland, menerangkan proses itu sama dengan menghentikan bola boling dengan melawan bola Ping-Pong.
Drullinger generasi akan datang jam atom menggunakan laser pertama untuk menghentikan atom dan kemudian melemparkannya ke udara seperti bola tenis. Anda mengumpul bola atom kecil, kata Drullinger, yang terjebak dalam persimpangan enam rasuk laser yang berbeza. Tetapi anda tidak boleh mengukur mereka pada ketika itu, kerana mereka terlalu tertekan oleh cahaya. Untuk mengukur mereka, anda harus melepaskan mereka, dan seperti bola tenis, mereka akan jatuh ke bawah. Tetapi seketika anda melepaskan mereka, anda memberi mereka sedikit dorongan dengan laser. Dan sekarang atom-atom bergerak pada beberapa meter sesaat. Pikirkan bola tenis di tangan anda; anda melambungkannya kira-kira tiga kaki, dan ia akan kembali ke tangan anda. Sekiranya anda mempunyai jam randik dan buat masa itu, ia akan mengambil masa satu saat. Sekarang, katakan saya melemparkan atom saya melalui gelombang mikro. Kemudian mereka sampai ke puncak, berbalik, dan kembali ke bawah dan melepasi gelombang mikro sekali lagi. Dari masa pertama mereka berinteraksi dengan gelombang mikro sehingga mereka berinteraksi sekali lagi, itu lebih kurang satu saat. Kerana ini adalah 100 kali lebih lama daripada selang yang sama dalam NIST-7, ia menjanjikan untuk membuat jam dengan 100 kali ketepatan NIST-7.
Teknologi ini, untuk sebab-sebab yang jelas, dipanggil jam air pancut, dan ia merupakan satu lagi idea yang meramalkan teknologi yang diperlukan untuk merealisasikannya. Salah satu postdoc Rabi, Jerrold Zacharias, menganggapnya pada tahun 1950-an ketika ia bekerja di mit. Dengan nasib, jam air pancut harus mengambil ketepatan jam atom ke tempat perpuluhan yang keenam belas. Penyelidik Perancis, yang diketuai oleh André Clairon, telah membina prototaip, yang berjalan di Balai Cerap Paris. Kedua-dua ahli fizik Perancis dan ahli NIST mengatakan jam Perancis mungkin lebih baik daripada NIST-7, dan ia pasti akan ada masa kerana ia mempunyai lebih banyak ruang untuk penambahbaikan. Clairon dan rakan-rakannya kini sedang membina jam kedua, yang Clairon berhati-hati mengatakan mungkin membuatnya ke tempat perpuluhan yang keenam belas.
Walaupun Perancis mempunyai permulaan lima tahun, Drullinger menegaskan dia akan menangkap mereka. André terpaksa menderita melalui penderitaan membina yang pertama, katanya, dan semua perkara yang tidak dijangka anda pergi. Kami mempunyai manfaat untuk melihat apa yang dia lakukan dan apa yang telah dilakukannya. Laserologi adalah mimpi ngeri, sepuluh kali lebih rumit daripada laser di NIST-7. Tetapi ia semua kejuruteraan pada ketika ini; ada ilmu yang sangat sedikit yang tersisa.
Pada masa itu, air pancut atom melancarkan sempadan pengawalan pada tempat perpuluhan keenam belas yang kedua, sesium mungkin dimainkan sebagai standard kekerapan dan dunia mungkin perlu memikirkan untuk bergerak. Di sinilah tempat Wineland masuk, dengan rancangannya untuk generasi akan datang yang seterusnya, atom tunggal duduk preternaturally masih berjam-jam atau hari pada akhir sementara diinterogasi dengan masa lapang oleh penjana gelombang mikro yang akan mengunci kekerapannya. Untuk ini, Wineland tidak memerlukan atom neutral tetapi ion - dalam kesnya, atom yang mempunyai satu elektron lebih sedikit dari yang seharusnya, memberikannya cas elektrik yang positif. Ion merkuri, seperti atom cesium Drullinger, boleh disejukkan dengan pancaran laser kepada sifar mutlak yang sangat dekat. Apabila ia cukup sejuk, caj positif ion membolehkannya dipegang dengan lembut dan serentak di tempat oleh medan elektromagnetik, yang bermaksud pembuat jam boleh menyiasat ayunannya tanpa perlu mencari jalan untuk menentang graviti, yang pada dasarnya apa jam air pancut.
Wineland dan rakan-rakannya telah bekerja pada jam ion merkuri selama satu dekade setengah sekarang, dan mereka menganggap mereka akhirnya boleh mendapatkan satu untuk mendorong ketepatan kedua ke dalam tempat perpuluhan kelapan belas. Mereka memilih merkuri, seperti cesium sebelum ini, bukan untuk apa-apa sifat ajaib tetapi kerana ia sesuai dengan banyak kriteria yang mereka perlukan untuk membuat jam. Contohnya, ia mempunyai bilangan elektron yang banyak, jadi apabila ia kehilangan satu, menjadi ion, satu elektron ditinggalkan di dalam kulit luar untuk memberikan peralihan yang baik. Dan sebagai bonus, peralihan itu adalah 40 bilion hertz (40 gigahertz), berbanding dengan 9 bilion untuk sesium, yang memberikan empat kali ketepatan di sana.
Anda boleh lihat, kata Bergquist, bahawa jika anda mempunyai pendulum berayun bolak-balik pada satu kitaran sesaat, itu sangat sukar untuk melakukan pemasaan pada bilion detik. Anda perlu memisahkan kitaran menjadi bilion. Jika sebaliknya anda mempunyai atom cesium yang getaran dalamannya adalah 9 gigahertz, anda menghitung 9 bilion dari ini untuk membuat satu saat. Sekarang anda boleh melakukan masa ketepatan. Dan raksa mempunyai frekuensi yang lebih tinggi - 40 gigahertz.
Sudah Wineland dan rekan-rekannya mempunyai jam merkuri di bawah makmal bawah tanah mereka, yang disebarkan oleh sinar laser dan disusun lantai ke siling dengan oscilloscopes, skrin komputer, dan elektronik esoterik. Mereka telah menyejukkan ion-ion raksa ke titik di mana mereka masih duduk diam, dikunci menjadi bentuk yang dikenali sebagai kristal ionik, yang boleh digunakan sebagai jam tangan, manakala pembuat jam melalui senarai cucian baru keseluruhan.
Merkuri menawarkan satu kebaikan yang terakhir, walaupun Wineland dan syarikat perlu memikirkan cara untuk mengekstraknya. Selain peralihan hiperfin, raksa mempunyai satu lagi peralihan tenaga yang baik dan stabil dengan kekerapan hujjah empat belas - sejuta kali lebih tinggi daripada peralihan hyperfine 40 bilion-hertz. Frekuensi quadrillion-hertz ini, yang dikenali sebagai peralihan optik, boleh memberi jam merkuri beberapa tempat perpuluhan tambahan ketepatan. Malangnya, tidak ada yang seperti pengayun quadrillion-hertz yang boleh mengunci kekerapan itu, seperti penjana gelombang mikro untuk jam cesium. Dan apabila Wineland dan rekan-rekannya telah mencipta satu, mereka harus mengira kutu kuadrat sebulan - yang tidak akan mudah.
Kami akan membina jalan kami, kata Wineland, yang bermaksud bahawa pertama mereka akan mencari pengayun yang bekerja pada frekuensi tertinggi, mengatakan 100 bilion kitaran sesaat. Kemudian mereka akan menjalankannya melalui beberapa peranti yang menggandakan kekerapan, dan menggandakannya sekali lagi, dan mereka akan terus berjalan sehingga mereka akhirnya mempunyai pengayun kuadrat-siklus-per-detik mereka. Prinsip asasnya cukup mantap, kata Wineland, tetapi ternyata sangat sulit diterapkan. Anda mempunyai bilik yang penuh dengan laser untuk melakukan semua perkara ini. Ia adalah pendekatan yang hebat.
Menambah masalah, laser sendiri tidak sempurna; mereka mempunyai sedikit kesilapan dalam kekerapan mereka, yang di 18 tempat perpuluhan atau sebaliknya akan membatalkan ketepatan para penyelidik mendapat dari ion merkuri. Untuk menyelesaikannya, Wineland dan rakan-rakannya harus menjalankan laser ke dalam rongga optik, yang boleh dianggap sebagai kotak kecil yang mengunci cahaya laser ke frekuensi yang sesuai dengan sempurna dalam dimensi fizikal kotak. Bergquist telah membina apa yang dia sebut trampolin, rongga optik di dalam sistem vakum, digantung dari siling makmal oleh band getah yang sangat tebal. Pada trampolin Bergquist, kata Wineland, duduk laser optik yang paling stabil di dunia, tetapi mereka masih belum cukup baik untuk peralihan optik merkuri. Untuk itu, pembuat jam mesti membina rongga supaya dimensi fizikalnya tetap ditetapkan dalam satu per seribu saiz nukleus atom hidrogen.
Adakah itu mungkin?
Baiklah, ya, kata Wineland, pada dasarnya. Tetapi ia sangat sukar.
Sekiranya Wineland dan rekan-rekannya melakukannya, NIST akan mempunyai jam yang bekerja di tempat perpuluhan kelapan belas. Walaupun ini terdengar seperti kusyen yang mencukupi di luar keperluan masyarakat moden, ia satu pertaruhan munasabah bahawa permintaan untuk ketepatan masih akan mengejar masa, seperti yang selalu ada, dan pembuat jam perlu bergerak. Soalan kemudian menjadi, sejauh mana mereka boleh pergi? Adakah terdapat sebarang titik akhir teori untuk ketepatan seorang penjaga masa?
Bukan ilmu sains moden tahu, kata Drullinger. Dan kita tidak melihat apa-apa had.


Artikel Yang Menarik

Tuhanku, Ini Penuh Blog

Tuhanku, Ini Penuh Blog

Masa untuk beberapa livestreaming! Pada akhir minggu ini saya akan menuju ke North Carolina ke Scienceonline 2010, sebuah konferensi tentang semua perkara saintifik pada Tiub. Saya akan bercakap dalam sesi pada hari Sabtu pagi pukul 10:15 yang dipanggil "Reboot Sains Kewartawanan Dalam Zaman Web" bersama dengan penyusun semula Ed Yong, John Timmer, dan David Dobbs

Esok di Comic-Con: Menyalahgunakan Sci Sci-Fi

Esok di Comic-Con: Menyalahgunakan Sci Sci-Fi

Pernah menonton filem fiksyen sains dan mengerang ketika sains diputar, dilipat, dan dimutilasi? Pasti, sains keterlaluan adalah menyeronokkan, tetapi begitu menyenanginya. Dengan semangat itu, kami gembira untuk mengumumkan panel DISCOVER pada Comic-Con 2010, di San Diego yang cerah. Sekiranya anda berada di konvensyen esok (Khamis) malam, datanglah untuk perbincangan kecil yang kita panggil "Menyalahgunakan Sci Sci-Fi

Windpipe Baru Man adalah Transplantasi Organik Pertama Sintetik Dunia

Windpipe Baru Man adalah Transplantasi Organik Pertama Sintetik Dunia

Trakea sintetik, sebelum implantasi Apa Berita: Trakea baru lelaki Afrika adalah organ sintetis pertama di dunia yang akan dipindahkan. Dibuat dari perancah polimer yang dilapisi dengan sel-sel pesakit sendiri, tenggorokan seolah-olah berfungsi dengan baik, lebih dari sebulan selepas pembedahan. Bagaimana keadaannya: Pesakit mempunyai tumor berukuran bola golf yang tidak boleh digunakan, yang tidak pernah memberi tindak balas dengan baik kepada kemoterapi atau rawatan radiasi, mengaburkan tudungnya

BAFact matematik: berapa besar matahari melihat dari Pluto?

BAFact matematik: berapa besar matahari melihat dari Pluto?

[Pada 4 Januari 2012, saya memulakan ciri-ciri baru: BAFacts, di mana saya menulis fakta astronomi / ruang yang cukup pendek untuk disiarkan. Banyak daripada mereka merujuk jawatan yang lebih lama, tetapi beberapa fakta memerlukan sedikit penjelasan matematik. Apabila itu berlaku, saya akan menulis jawatan seperti ini yang menjadikan matematik supaya anda dapat melihat nombor untuk diri anda

Juno Menyampaikan Rahsia Jupiter

Juno Menyampaikan Rahsia Jupiter

Foto-foto dari orbit Jupiter Juno mengungkap pemandangan menakjubkan. Di atas, dinamika badai Tempat Merah Besar dapat dilihat semasa pas ketinggian rendah. NASA / JPL / SWRI / MSSS / Björn Jónsson Misi Juno berterusan NASA, mendedahkan apa yang terletak di bawah puncak awan Jupiter dan di atmosfernya, telah menimbulkan banyak teori lama mengenai raja planet.

The Shambulance: Reflexology and Other Stories

The Shambulance: Reflexology and Other Stories

The Shambulance adalah siri sekali-sekala di mana saya cuba mencari kebenaran tentang produk kesihatan palsu atau overhyped. Membantu saya menjaga Shambulance pada kursus ialah Steven Swoap dan Daniel Lynch, kedua-dua profesor biologi di Williams College. Melekat Q-tip ke atas hidung bukanlah sumber banyak pandangan yang hebat