Fysiker avslöjar världens mest exakta klocka (och en tvilling att jämföra den med)

Klockor är en av de möjliggörande teknologierna i den moderna världen. Utan mycket exakta klockor skulle det globala positioneringssystemet inte fungera korrekt, och det skulle inte heller vara möjligt att synkronisera nätverk över stora avstånd. Och fysiker förlitar sig på klockor för att testa universums grundläggande lagar till allt djupare nivåer.

Så att ha mer exakta och pålitliga klockor är ett viktigt mål.

Idag avslöjar Andrew Ludlow vid National Institute of Standards and Technology i Boulder och några kompisar de två mest exakta klockorna som någonsin byggts. De säger att deras nya klockor kan hålla tiden med en oöverträffad precision av en del på 10-18.

Ludlow och co sätter detta i perspektiv: En mätning på bråknivån 1018 motsvarar att specificera åldern på det kända universum med en precision på mindre än en sekund eller jordens diameter till mindre än en atoms bredd.

Deras klocka är en enkel best, åtminstone i princip. Grundtanken är att en sekund kan definieras av frekvensen av ljus som emitteras av en atom när elektroner i grundtillståndet hoppar till ett annat tillstånd.

Svårigheten är att mäta denna frekvens exakt. Det beror på att varje liten rörelse av atomen genererar en dopplereffekt som ändrar frekvensen. Dessutom kan lösa elektriska fält förskjuta dessa elektroniska övergångar, ändra deras frekvens, ett fenomen som kallas Stark shift. Att övervinna dessa små felkällor är den stora utmaningen med att bygga exakta klockor.

Ludlow och kompisar har gjort det med en teknik som kallas en optisk gitterklocka. I detta tillvägagångssätt studsar de en laser från en spegel för att skapa en stående våg av ljus som bildar ett galler för att fånga atomer. Det här är en sorts ägglåda där atomerna sitter.

De fyller sedan denna ägglåda med ytterbiumatomer och zappar dem med en annan laser för att se frekvensen med vilken den elektroniska övergången sker.

Ägglådan är viktig eftersom den håller atomerna i ett skruvstädliknande grepp som minimerar eventuella dopplereffekter.

Däremot genererar elektriska fält associerade med ljuset ett Stark-skifte. Teamet kommer runt detta genom att välja en så kallad magisk övergång i ytterbium där båda elektroniska tillstånden skiftas lika mycket, vilket lämnar övergångsfrekvensen oförändrad.

Och eftersom ägglådan kan fyllas med många atomer kan Ludlow och co-göra sina mätningar med många atomer så att de får en tydligare signal.

Resultatet är en klocka som bara tappar en tick på 1018 st.

Naturligtvis finns det inget sätt att mäta noggrannheten för en enda klocka, vilket är anledningen till att de här killarna har två.

De nya klockorna möjliggör omedelbart ett antal nya och viktiga tillämpningar. Dessa klockor är så känsliga att de lätt kan mäta gravitationsrödförskjutningen, där klockor tickar långsammare i kraftigare gravitationsfält. De kan med andra ord känna av höjdförändringar.

De bästa klockorna idag är känsliga för förändringar på många meter eller kilometer. Den nya klockan ska kunna urskilja förändringar på cirka 1 cm på jordens yta. Det kommer att vara för tillämpningar som hydrologi, geologi och mätning av isförändringar i klimatförändringsstudier.

Det skulle också fysiker att testa om saker som gravitationellt rödskifte och finstrukturen konstant förändras med position, viktiga grundläggande tester av fysiken.

Förbättringen av klockor är en pågående process som mänskligheten har genomfört under flera tusen år. Dessa senaste klockor är den imponerande kulmen på allt detta arbete och ändå kommer de säkert att förmörkas inom en inte alltför avlägsen framtid.

Ludlow och co pekar faktiskt på olika förbättringar som de var tvungna att göra inom en snar framtid för att göra sin klocka ännu bättre. Och när de gör det kommer nästa klockor att bli ännu bättre. Sådan är teknikens natur.

Ref: http://arxiv.org/abs/1305.5869 : En atomklocka med 10-18 instabilitet

Dölj