Ahli fizik telah mengembangkan jam atom dengan begitu tepat sehingga akan mati kurang dari satu saat dalam 14 bilion tahun. Ketepatan dan ketepatan semacam itu menjadikannya lebih daripada sekadar jam tangan. Ini adalah alat saintifik yang kuat yang dapat mengukur gelombang graviti, mengukur bentuk graviti Bumi, dan mungkin juga mengesan benda gelap.
Bagaimana mereka melakukannya?
Ahli fizik di Institut Piawaian dan Teknologi Nasional mengatakan jam atom baru mereka berdasarkan unsur ytterbium nadir bumi. Mereka menggunakan grid sinar laser yang disebut kisi optik untuk memerangkap atom 1000 ytterbium. Atom secara semula jadi "berdetik" dengan beralih antara dua tahap tenaga. Tindakan itu disebut peralihan elektron atom, dan diperlukan nanodetik untuk berlaku. Setiap kali mereka menandakan, atau mengubah tahap tenaga, elektron memancarkan tenaga gelombang mikro, yang dapat dikesan. Ahli fizik NIST membina dua jam ytterbium ini, dan dengan membandingkannya, mereka telah mencapai prestasi memecahkan rekod.
Prestasi memecahkan rekod ini diukur dengan tiga cara:
- Ketidakpastian sistematik: Ini adalah seberapa baik jam mewakili getaran semula jadi atom ytterbium. Jam ytterbium dimatikan oleh hanya satu bilion satu bilion.
- Kestabilan: Ini adalah berapa banyak frekuensi jam berubah dalam masa yang ditentukan. Dalam kes ini, mereka mengukur jam ytterbium mereka dan ia berubah hanya dengan 0.00000000000000000032) dalam sehari.
- Reproducibility: Ini mengukur seberapa dekat dua jam ytterbium berdetak pada frekuensi yang sama. Dalam 10 perbandingan antara pasangan jam, perbezaannya sekali lagi kurang dari satu bilion satu bilion.
"Ketidakpastian, kestabilan, dan kebolehulangan sistematik dapat dianggap sebagai 'prestasi luar biasa' untuk jam-jam ini," kata ketua projek Andrew Ludlow dalam siaran pers. "Kesepakatan kedua jam pada tahap yang belum pernah terjadi sebelumnya, yang kami sebut kebolehulangan, mungkin merupakan hasil tunggal yang paling penting, kerana pada dasarnya memerlukan dan membuktikan dua hasil yang lain."
Einstein menunjukkan kepada kami bahawa masa berlalu berbeza bergantung pada graviti yang anda punyai. Berdetak atom dalam jam atom diperlahankan apabila diperhatikan pada graviti yang lebih kuat. Di puncak Mt. Everest, misalnya, masa bergerak lebih cepat daripada di bahagian bawah Parit Mariana. Itu kerana, di Bumi, daya graviti tertumpu di pusat planet ini. Semakin jauh anda dari pusat, semakin kurang daya tarikan. Kesannya tidak hebat, mungkin hanya sepersejuta saat. Tetapi di sana. Itu nampaknya bertentangan intuitif, tapi itulah yang ditunjukkan oleh Einstein, dan dia terbukti betul.
Perkara yang luar biasa mengenai jam atom baru ini adalah bahawa kebolehulangan yang ditunjukkan bermaksud kesilapan jam berada di bawah kemampuan kita untuk mengesan kesan graviti pada waktu di Bumi.
Ahli fizik NIST Andrew Ludlow menerangkannya seperti ini: "... kebolehulangan yang ditunjukkan menunjukkan bahawa kesilapan total jam jatuh di bawah kemampuan umum kita untuk menjelaskan kesan graviti pada waktu di Bumi. Oleh itu, ketika kita membayangkan jam seperti ini digunakan di seluruh negara atau dunia, prestasi relatif mereka, untuk pertama kalinya, akan dibatasi oleh kesan graviti Bumi. "
Ahli fizik mengatakan bahawa sekarang kita mempunyai jam yang ketepatannya lebih besar daripada kesan graviti pada masa, kita dapat menggunakan jam untuk mengukur bentuk graviti Bumi. Cara biasa mengukur bentuk graviti Bumi adalah dengan mengukur pasang surutnya. Tolok pasang surut yang diletakkan di seluruh dunia digunakan, tetapi ketepatannya hanya dengan beberapa sentimeter. Jam baru dapat menurunkan ketepatan itu hingga kurang dari satu sentimeter.
Sebenarnya, jam ytterbium ini dapat digunakan untuk mengukur lebih banyak daripada bentuk graviti Bumi. Mereka dapat digunakan untuk mengukur ruang-waktu itu sendiri, dan untuk mengesan gelombang graviti dari alam semesta awal. Ada kemungkinan mereka dapat mengukur bahan gelap. Pada tahap ketepatan dan ketepatan ini, instrumen ini lebih daripada sekadar jam.
Bukan hanya graviti yang boleh mempengaruhi jam seperti jam ytterbium. Kesan persekitaran yang lain boleh mengganggu ketepatan peranti. Mereka mesti disejukkan dan mesti diasingkan dari medan elektrik yang sesat. Jam baru terlindung dari kesan elektrik dan haba sehingga dapat dipertanggungjawabkan dan diperbetulkan.
Dengan penambahbaikan seperti pelindung elektrik dan haba, ahli fizik sedang membina jam ytterbium mudah alih yang dapat diangkut ke makmal yang berbeza untuk mengukur dan membandingkan jam lain. Mereka juga dapat dipindahkan ke lokasi lain untuk mempelajari teknik geodesi relativistik. Ini akan menjadi pengubah permainan, kerana pada masa ini, jam atom terbaik kami adalah ukuran bilik, yang disebut "jam pancut" yang menggunakan atom cesium untuk menentukan yang kedua.
Tetapi semua itu akan berubah dengan jam baru.
Jam atom sebelumnya didasarkan pada unsur cesium, yang hingga kini menyediakan ketepatan masa yang paling tepat. Getaran atom cesium telah digunakan sejak tahun 1960-an untuk menentukan jangka masa satu saat dalam Sistem Antarabangsa Unit (ISU). Tetapi dengan perkembangan jam ytterbium, masa caesium mungkin akan habis.
Jam cesium pertama dibina pada tahun 1955, dan sejak itu menjadi standard emas. Definisi rasmi yang kedua, jika anda berminat, telah digunakan sejak tahun 1967. Dikatakan: "Yang kedua adalah jangka masa 9 192 631 770 tempoh radiasi yang sesuai dengan peralihan antara dua tahap hiperfine tanah keadaan atom cesium 133. " Kemudian pada tahun 1997 mereka menjelaskan itu bermaksud bahawa sesium harus berada di 0 Kelvin.
Jam atom lain telah dibina menggunakan rubidium, yang boleh dibuat mudah alih. Mereka tidak setepat cesium, tetapi cukup baik untuk aplikasi seperti GPS, stesen pangkalan telefon bimbit, dan untuk mengawal frekuensi stesen televisyen. Tetapi dengan pengembangan jam atom baru menggunakan atom ytterbium, kita mungkin mempunyai yang terbaik dari kedua dunia: ketepatan saintifik yang belum pernah terjadi sebelumnya, dan mudah alih.
Jam atom ytterbium baru adalah calon utama untuk menentukan semula definisi bagaimana masa satu saat. Itu kerana memenuhi ambang ketepatan yang ditentukan oleh Sistem Antarabangsa Unit. Badan itu mengatakan bahawa apa-apa definisi baru akan memerlukan peningkatan 100 kali dalam ketepatan yang disahkan berbanding jam cesium yang kini digunakan untuk menentukan yang kedua.
Kami biasa menentukan waktu dengan putaran Bumi, tetapi kita telah menempuh perjalanan jauh sejak itu. Jam atom menggunakan kadar centang elemen nadir bumi untuk mengukur bentuk graviti Bumi, gelombang graviti dari Alam Semesta awal, dan mungkin juga benda gelap adalah sesuatu yang tidak pernah dapat digambarkan oleh manusia sejarah ketika mereka menempelkan tongkat tanah untuk membuat dail matahari.
- Siaran Akhbar: Jam Atom NIST Kini Menyimpan Masa Dengan Cukup Baik untuk Memperbaiki Model Bumi
- Kertas Penyelidikan: Prestasi jam atom melebihi had geodetik
- Berita MIT: Penjagaan masa atom, dalam perjalanan
- Wikipedia: Jam atom
- Wikipedia: Cesium standard
- Wikipedia: Peralihan elektron atom
