Здравствуйте, дорогие мои читатели!
Каждый должен знать время. С тех пор как голландский изобретатель Христиан Гюйгенс в 17 веке сделал первые маятниковые часы, люди стали думать о необходимости всё более точного измерения времени.
Правильное время важно во многих отношениях - от управления железной дорогой до миллисекундных сделок на фондовом рынке. Теперь для большинства из нас наши часы сверяются с сигналом атомных часов, как те, что находятся на борту спутников глобальной системы позиционирования (GPS).
Но недавнее исследование , проведённое двумя группами учёных в Боулдере, штат Колорадо, может означать, что эти сигналы станут гораздо более точными, что позволит нам более точно определить это самое время. Атомные часы могли бы стать настолько точными, что мы могли бы начать измерять ранее незаметные гравитационные волны.
Современные часы все ещё используют основную идею Гюйгенса об осцилляторе с резонансом – как маятник фиксированной длины, который всегда будет двигаться вперёд и назад с одной и той же частотой, или колокол, который звонит с определённым тоном.
Эта идея была значительно улучшена в 18 веке Джоном Харрисоном, который понял, что меньшие, более высокочастотные осцилляторы имеют более стабильные и чистые резонансы, что делает часы более надёжными.
В настоящее время большинство повседневных часов используют крошечный кусочек кварцевого кристалла в форме миниатюрного музыкального камертона, с очень высокой частотой и стабильностью. За последние сто лет мало что изменилось в устройстве часов, хотя мы стали делать их более дешёвыми и воспроизводимыми.
Огромная разница в часах наших дней заключается в том, как мы проверяем – или “дисциплинируем” – кварцевые часы. До 1955 года мы должны были постоянно корректировать свои часы, сверяя их с очень регулярным астрономическим явлением, таким как солнце или луны Юпитера. Теперь мы корректируем ход часов в соответствии с колебаниями внутри атомов.
Атомные часы были впервые построены Луисом Эссеном. Они были использованы для определения точности времени в 1967 году, и это зафиксированное время остаётся с тех пор неизменным.
Ход времени определяется путём подсчёта частоты переворачивания квантового свойства, называемого спином, в электронах атомов цезия. Этот естественный атомный резонанс настолько резок, что вы можете сказать, блуждает ли ваш кварцевый сигнал по частоте менее чем на одну часть 101⁵ , это миллионная часть миллиардной. Одна секунда официально определяется как 9,192,631,770 спиновых «сальто» электронов цезия.
Тот факт, что мы можем создавать такие точно управляемые осцилляторы, делает частоту и время наиболее точно измеряемыми из всех физических величин. Мы посылаем сигналы от атомных часов по всему миру и в космос с помощью GPS. Любой человек с GPS-приёмником в своём мобильном телефоне имеет доступ к удивительно точному устройству измерения времени.
Если вы можете точно измерять время и частоту, то есть множество других вещей, которые вы также можете точно измерить. Например, измеряя частоту спиновых переворотов определённых атомов и молекул, вы можете определить силу магнитного поля, которое они испытывают, так что если вы можете точно определить частоту, то вы также точно определили и напряжённость поля. Так работают самые маленькие из возможных датчиков магнитного поля .
Но можем ли мы сделать лучшие часы, которые позволят нам ещё точнее измерять частоту или время? Ответ прежний – всё зависит от частоты.
Резонанс спинового флипа цезия имеет частоту, соответствующую микроволнам, но некоторые атомы имеют хорошие резонансы для оптического света, в миллион раз более высокие по частоте. Оптические атомные часы показали чрезвычайно стабильные сравнения друг с другом, по крайней мере, когда пара из них находится всего в нескольких метрах друг от друга.
Мы должны быть уверены, что различные оптические часы, которые мы будем использовать для точного определения времени, будут считать одно и то же время, даже если они находятся в разных лабораториях за тысячи километров друг от друга. До сих пор такие тесты на большие расстояния были не намного лучше , чем для микроволновых часов.
Теперь, используя новый способ связи часов со сверхбыстрыми лазерами , исследователи показали, что различные виды оптических атомных часов могут быть размещены на расстоянии нескольких километров друг от друга и их показатели совпадают в пределах 1 части из 101⁸. Это так же хорошо, как и предыдущие измерения с парами одинаковых часов на расстоянии нескольких сотен метров друг от друга, но примерно в сто раз точнее, чем достигалось ранее с разными часами или большими расстояниями .
Авторы нового исследования сравнили несколько часов на основе различных типов атомов – иттербия, алюминия и стронция в их случае. Стронциевые часы располагались в Университете Колорадо, а два других-в Национальном институте стандартов и технологий США.
Исследование соединило часы с лазерным лучом через воздух на расстоянии более 1,5 км от здания к зданию, и эта связь была показана так же хорошо, как и в случае оптического волокна проложенного под дорогой, несмотря на воздушную турбулентность.
Но зачем нам такие точные часы? Хотя предполагается, что атомы в часах совершенно одинаковы, где бы они ни находились и кто бы на них ни смотрел, крошечные полезные различия могут появиться, когда измерения времени настолько точны.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация искажает пространство-время , и мы можем измерить это искажение. Оптические часы уже использовались для обнаружения разницы в гравитационном поле Земли, перемещаясь всего на сантиметр в высоту.
С более точными часами, возможно, вы могли бы почувствовать движение в напряжённой земной коре и предсказать вулканические извержения . Гравитационные волны, порождённые удалёнными слияниями черных дыр , были замечены – возможно, теперь мы сможем обнаружить гораздо более слабые волны от менее катастрофических событий с помощью пары спутников с оптическими часами .
Дорогие мои читатели!
Я стараюсь рассказать Вам о разных сторонах нашей жизни, о новых открытиях и достижениях, об интересном и полезном.
Прошу Вас не лениться и оставлять комментарии, ведь Ваше мнение не менее важно для всех кто читает статью, и для меня в том числе.
Ставьте лайк, выражайте своё отношение к каналу.
Подписывайтесь, не теряйте его в массе других, если Вам интересно!
В статье , в том числе , использован материал «Scientists are hoping to redefine the second – here’s why ».