Много может произойти за секунду; вы могли встретить незнакомца, щелкнуть пальцами, влюбиться, заснуть, чихнуть. Но что на самом деле секунда, и насколько это точно, как мы думаем?
Прямо сейчас, самые точные часы, используемые для определения глобального времени, имеют погрешность около 1 секунды каждые 300 миллионов лет, поэтому часы, которые начали тикать во время динозавров, не будут отключены даже сегодня. Но ученые думают, что мы можем сделать лучше.
Таким образом, они ищут лютеций, пренебрегаемый редкоземельный элемент, который собирает пыль в нижней части периодической таблицы, согласно новому исследованию.
Почему одна секунда длиной в 1 секунду?
В прежние времена секунда была определена как фракция (1/86400) среднего солнечного дня, 24-часовой поворот Земли вокруг ее оси. Но вращение Земли может немного измениться, поэтому ученые решили прекратить сканирование небес, чтобы откалибровать наши часы и масштабировать вещи вниз - до уровня атомов, невидимых строительных блоков материи.
В 1967 году Международный комитет по измерениям и измерениям определил секунду как количество времени, которое требуется для того, чтобы атом цезия поглотил достаточно энергии для возбуждения, т.е. чтобы его электроны переходили из одного состояния энергии в другое. Чтобы это произошло, атом должен быть импульсным с точно 9192,631,770 циклами микроволнового излучения.
Хотя это число может показаться случайным, оно исходит из измерения частоты микроволн, необходимых для возбуждения атомов цезия в среднем для более раннего определения 1 секунды. Эти измерения были проведены в течение почти трех лет, сообщает Scientific American.
В настоящее время сотни атомных часов цезия отвечают за поддержание глобального времени и контроль GPS-навигации. Но за последнее десятилетие появилось еще одно поколение атомных часов, называемое «оптические часы», и они в 100 раз точнее, чем цезиевый сорт. Новые часы работают точно так же, как цезий, за исключением того, что они используют атомы, такие как алюминий или иттербий, которые возбуждаются более высокими частотами видимого света (отсюда и название «оптический»), а не более медленными микроволнами. Эта более высокая частота добавляет больше точек данных к определению «секунды», что делает измерение более точным.
Чтобы понять это, представьте себе различные типы часов как пару линеек, сказал Мюррей Барретт, адъюнкт-профессор физики в Национальном университете Сингапура и ведущий автор нового исследования. Если более старая линейка «цезия» измеряет линию длиной 20 сантиметров (7,9 дюйма), более точная «оптическая» линейка может измерять линию также, например, 200 миллиметров.
Хотя оптические часы очень точны, заставить их работать в течение очень длительного периода времени и оставаться стабильными в своей среде, может быть проблематично, сказал Барретт. Температура в помещении может изменить электромагнитные поля, действующие на атомы, что, в свою очередь, может исказить измерение времени, сказал Барретт. Таким образом, цезиевые часы все еще «намного более надежны в их реализации, чем оптические часы», - сказал Барретт в интервью Live Science.
Создание менее чувствительных атомных часов
В своем новом исследовании Барретт и его команда обнаружили, что ион лютеция менее чувствителен к изменениям температуры окружающей среды, чем любые другие элементы, используемые для оптических часов, что делает его лучшим кандидатом в качестве главного хранителя времени.
Найдены атомы лютеция также могут компенсировать еще одну проблему, влияющую на измерение времени. Поскольку атомы, используемые в этих часах, заряжаются, они слегка колеблются назад и вперед в ответ на электромагнитные поля, создаваемые волнами (видимый свет, микроволны и т.д.) - и это может исказить измерение времени. Ученые называют это быстрое движение назад и вперед «микромоторным сдвигом».
Поскольку ученые должны компенсировать этот сдвиг, действительно сложно разработать атомные часы с более чем одним ионом, что сделало бы такие часы более практичными, сказал Барретт. Но команда обнаружила, что они могут использовать природное свойство в определенном типе лютеция иона, чтобы отменить эти «микромоторные сдвиги».
Однако это происходит за счет: эти атомы стали более чувствительными к температуре комнаты. Этот компромисс может ограничить влияние нового вывода, и атомный лютеций может и не стать «настоящим переворотом игры», - сказал Жером Лодевик, физик из Парижской обсерватории.
Помимо времени
Хотя Барретт сказал, что лютеций «чрезвычайно перспективен», он не думает, что существует большая спешка, чтобы переопределить секунду, используя оптические часы, поскольку цезиевые часы и так прекрасно справляются с технологиями и приборами где их используют
Например, часы чувствительны к тому, где они сидят в мире, потому что время искажается гравитацией, согласно теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В настоящее время атомные часы на Земле не могут обнаружить минимальное временное деформирование, которое происходит из-за гравитации Земли. Но если исследователи могут разместить высокоточные оптические часы по всему миру, эта установка может помочь исследователям отобразить гравитационное поле нашей планеты, сказал Барретт.
Кроме того, высокоточные атомные часы могли обнаруживать материю и энергию, которые мы, возможно, еще не можем увидеть, сказал Лодевик. Это может включать в себя темную материю, которая оказывает гравитационное воздействие, но не взаимодействует с обычным светом и темной энергией, таинственной силой, которая, по-видимому, ускоряет расширение Вселенной, сказал он.
Вот как это могло бы работать: если вы знаете частоту, необходимую для возбуждения некоторых атомов за временные рамки секунды, вы можете использовать эти различные часы по всему миру для обнаружения любых различий, превышающих то, что вы обычно ожидаете. Есть «некоторые теории, которые говорят, что темная материя вокруг нас, поэтому, если мы пересечем кусок темной материи, это нарушит часы», - сказал Лодевик. «Конечно, когда мы впервые начали разрабатывать часы с корабельной навигации, мы никогда не думали о том, что кто-то сможет ходить и точно знать, где они находятся в большом городе (GPS-навигация)».