Các nhà vật lý đã phát triển một chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác đến mức nó sẽ tắt chưa đầy một giây trong 14 tỷ năm. Loại chính xác và chính xác đó làm cho nó không chỉ là một chiếc đồng hồ. Nó có một công cụ khoa học mạnh mẽ có thể đo sóng hấp dẫn, lấy số đo hình dạng hấp dẫn của Trái đất và thậm chí có thể phát hiện vật chất tối.
Họ đã làm điều đó như thế nào?
Các nhà vật lý tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia cho biết đồng hồ nguyên tử mới của họ dựa trên nguyên tố đất hiếm ytterbium. Họ sử dụng một mạng lưới các chùm tia laser gọi là mạng quang học để bẫy 1000 nguyên tử ytterbium. Các nguyên tử tự nhiên đã đánh dấu vào việc chuyển đổi giữa hai mức năng lượng. Hành động đó được gọi là quá trình chuyển đổi electron nguyên tử và phải mất vài nano giây. Mỗi lần họ đánh dấu, hoặc thay đổi mức năng lượng, các electron sẽ phát ra năng lượng vi sóng, có thể được phát hiện. Các nhà vật lý của NIST đã chế tạo hai trong số những chiếc đồng hồ ytterbium này và bằng cách so sánh chúng, họ đã đạt được hiệu suất phá kỷ lục.
Hiệu suất phá kỷ lục này được đo bằng ba cách:
- Sự không chắc chắn có hệ thống: Đây là cách đồng hồ thể hiện sự rung động tự nhiên của các nguyên tử ytterbium. Đồng hồ ytterbium đã tắt chỉ một phần tỷ của một phần tỷ.
- Tính ổn định: Đây là tần số của đồng hồ thay đổi trong một thời gian xác định. Trong trường hợp này, họ đã đo đồng hồ ytterbium của họ và nó đã thay đổi chỉ 0,0000000000000000000032) trong một ngày.
- Độ lặp lại: Điều này đo lường mức độ chặt chẽ của hai đồng hồ ytterbium ở cùng tần số. Trong 10 so sánh giữa các cặp đồng hồ, sự khác biệt một lần nữa chưa đến một phần tỷ của một phần tỷ.
Andrew Ludlow cho biết trong một thông cáo báo chí, hệ thống không chắc chắn, ổn định và tái sản xuất có hệ thống có thể được coi là hệ thống hiệu suất tuyệt vời cho các đồng hồ này. Sự thỏa thuận của hai đồng hồ ở cấp độ chưa từng có này, mà chúng tôi gọi là khả năng tái tạo, có lẽ là kết quả quan trọng nhất, bởi vì về cơ bản nó đòi hỏi và chứng minh hai kết quả còn lại.
Einstein đã cho chúng ta thấy rằng thời gian trôi qua khác nhau tùy thuộc vào lực hấp dẫn của bạn. Tiếng tích tắc của các nguyên tử trong đồng hồ nguyên tử bị chậm lại khi quan sát thấy trong trọng lực mạnh hơn. Trên đỉnh Mt. Everest, ví dụ, thời gian di chuyển nhanh hơn ở dưới cùng của rãnh Mariana. Đó là bởi vì, ở đây trên Trái đất, lực hấp dẫn tập trung ở trung tâm của hành tinh. Bạn càng ở xa trung tâm thì càng ít trọng lực. Hiệu quả không lớn, có lẽ chỉ một phần triệu giây. Nhưng nó ở đó. Điều đó có vẻ phản trực giác bằng cách nào đó, nhưng đó là những gì Einstein thể hiện, và anh ấy đã được chứng minh là đúng.
Điều đặc biệt của chiếc đồng hồ nguyên tử mới này là nó có khả năng tái tạo có nghĩa là lỗi đồng hồ ở dưới khả năng của chúng tôi để phát hiện hiệu ứng hấp dẫn về thời gian ở đây trên Trái đất.
Nhà vật lý học của NIST Andrew Ludlow giải thích như thế này: Sinh ra khả năng tái tạo được chứng minh cho thấy rằng đồng hồ Lỗi tổng giảm xuống dưới khả năng chung của chúng ta để giải thích cho hiệu ứng Trọng lực thời gian ở đây trên Trái đất. Do đó, khi chúng ta hình dung những chiếc đồng hồ như thế này được sử dụng trên khắp đất nước hoặc thế giới, lần đầu tiên hiệu suất tương đối của chúng sẽ bị giới hạn bởi các hiệu ứng hấp dẫn của Earth.
Các nhà vật lý nói rằng bây giờ chúng ta có một chiếc đồng hồ có độ chính xác của VÒNG lớn hơn hiệu ứng hấp dẫn về thời gian, chúng ta có thể sử dụng đồng hồ để đo hình dạng hấp dẫn của Trái đất. Cách thông thường để đo hình dạng hấp dẫn của Earth Trái đất là bằng cách đo thủy triều của nó. Đồng hồ đo thủy triều được đặt trên khắp thế giới được sử dụng, nhưng độ chính xác của chúng chỉ với vài cm. Đồng hồ mới có thể mang lại độ chính xác đó xuống dưới một centimet.
Trên thực tế, những chiếc đồng hồ ytterbium này có thể được sử dụng để đo nhiều hơn hình dạng hấp dẫn của Earth. Chúng có thể được sử dụng để tự đo thời gian và phát hiện sóng hấp dẫn từ vũ trụ sơ khai. Nó có thể là họ thậm chí có thể đo vật chất tối. Ở mức độ chính xác và chính xác này, nhạc cụ này không chỉ là một chiếc đồng hồ.
Nó không chỉ có trọng lực mà có thể tác động đến một chiếc đồng hồ như đồng hồ ytterbium. Các hiệu ứng môi trường khác có thể phá vỡ độ chính xác của thiết bị. Chúng phải được giữ lạnh và chúng phải được cách ly khỏi mọi điện trường đi lạc. Các đồng hồ mới được bảo vệ khỏi các hiệu ứng điện và nhiệt để chúng có thể được tính toán và sửa chữa.
Với những cải tiến như che chắn điện và nhiệt, các nhà vật lý đang chế tạo đồng hồ ytterbium di động có thể được vận chuyển đến các phòng thí nghiệm khác nhau để đo và so sánh các đồng hồ khác. Họ cũng có thể được chuyển đến các địa điểm khác để nghiên cứu các kỹ thuật đo đạc tương đối tính. Đây sẽ là một công cụ thay đổi cuộc chơi, bởi vì hiện tại, đồng hồ nguyên tử tốt nhất của chúng tôi có kích thước phòng, được gọi là đồng hồ đài phun nước của nhà cung cấp sử dụng nguyên tử xê-ri để xác định thứ hai.
Nhưng tất cả có thể sắp sửa thay đổi với đồng hồ mới.
Đồng hồ nguyên tử trước đây dựa trên nguyên tố xê-ri, cho đến nay đã cung cấp đồng hồ bấm giờ chính xác nhất hiện có. Rung động của nguyên tử Caesium đã được sử dụng từ những năm 1960 để xác định thời lượng của một giây trong Hệ thống đơn vị quốc tế (ISU). Nhưng với sự phát triển của đồng hồ ytterbium, thời gian caesium có thể đã hết.
Đồng hồ Caesium đầu tiên được chế tạo vào năm 1955 và kể từ đó, nó là tiêu chuẩn vàng. Định nghĩa chính thức của lần thứ hai, nếu bạn quan tâm, đã được sử dụng từ năm 1967. Nó nói: Thứ hai là thời gian của 9 192 631 770 giai đoạn bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu phẳng của mặt đất trạng thái của nguyên tử Caesium 133. Sau đó vào năm 1997, họ đã làm rõ điều đó có nghĩa là Caesium phải ở mức 0 Kelvin.
Đồng hồ nguyên tử khác đã được chế tạo bằng rubidium, có thể được chế tạo di động. Chúng không chính xác như Caesium, nhưng chúng đủ tốt cho các ứng dụng như GPS, trạm gốc của điện thoại di động và để kiểm soát tần số của các đài truyền hình. Nhưng với sự phát triển của đồng hồ nguyên tử mới sử dụng nguyên tử ytterbium, chúng ta có thể có những điều tốt nhất của cả hai thế giới: độ chính xác khoa học chưa từng có và tính di động.
Đồng hồ nguyên tử ytterbium mới là một ứng cử viên hàng đầu để định nghĩa lại định nghĩa về mức độ một giây. Đó là vì nó đáp ứng ngưỡng chính xác được xác định bởi Hệ thống đơn vị quốc tế. Cơ quan đó nói rằng bất kỳ định nghĩa mới nào cũng sẽ yêu cầu cải thiện độ chính xác 100 lần so với đồng hồ Caesium hiện đang được sử dụng để xác định thứ hai.
Chúng ta thường xác định thời gian bằng vòng quay của Trái đất, nhưng chúng ta đã đi một chặng đường dài kể từ đó. Một chiếc đồng hồ nguyên tử sử dụng tốc độ tích tắc của một nguyên tố đất hiếm để đo hình dạng hấp dẫn của Trái đất, sóng hấp dẫn từ Vũ trụ sơ khai và thậm chí có thể là vật chất tối là thứ mà không ai có thể tưởng tượng được khi chúng dính vào một cây gậy mặt đất để làm một mặt trời quay số.
- Thông cáo báo chí: Đồng hồ nguyên tử của NIST Bây giờ giữ đủ thời gian để cải thiện các mô hình trái đất
- Tài liệu nghiên cứu: Hiệu suất đồng hồ nguyên tử vượt quá giới hạn trắc địa
- MIT News: Máy chấm công nguyên tử, đang di chuyển
- Wikipedia: Đồng hồ nguyên tử
- Wikipedia: Tiêu chuẩn Caesium
- Wikipedia: Chuyển đổi electron nguyên tử
