Pe 1 decembrie 2018, când acest articol a fost publicat pentru prima dată în ediția tipărită de Lumea Fizica, Am fost de lucru în marea BRITANIE Laboratorul Național de Fizică (NPL) în Teddington pentru exact 20 de ani și șase de zile. Motivul pentru care știu că acest lucru este ușor – m-am alăturat la 26 octombrie 1998 și, cu ajutorul ceasurilor și calendarelor, pot măsura timpul care a trecut., Dar ce au făcut oamenii înainte de apariția ceasurilor? Cum au măsurat timpul?de-a lungul mileniilor, o multitudine de dispozitive au fost inventate pentru cronometrare, dar ceea ce au toate în comun este că depind de fenomene naturale cu perioade regulate de oscilație. Cronometrarea este pur și simplu o chestiune de numărare a acestor oscilații pentru a marca trecerea timpului.pentru o mare parte din istorie, fenomenul periodic ales a fost mișcarea aparentă a soarelui și a stelelor pe cer, cauzată de rotirea Pământului în jurul propriei axe., Una dintre cele mai vechi metode cunoscute de cronometrare – datând de mii de ani – a implicat plasarea unui băț în poziție verticală în pământ și urmărirea umbrei sale în mișcare pe măsură ce ziua a progresat. Această metodă a evoluat în ceasul sundial sau shadow, cu markeri de-a lungul căii umbrei împărțind ziua în segmente.
cu toate acestea, sundials sunt inutile dacă soarele strălucește. De aceea au fost dezvoltate dispozitive mecanice – cum ar fi Ceasuri de apă, Ceasuri de lumânare și clepsidre., Apoi, în secolul al XVII-lea, au fost dezvoltate Ceasuri pendul, care erau mult mai precise decât orice dispozitive de cronometrare anterioare. Perioada lor de oscilație (în aproximarea de ordinul cel mai mic) a fost determinată de accelerația datorată gravitației și lungimii pendulului. Deoarece această perioadă este mult mai scurtă decât rotația zilnică a Pământului, timpul ar putea fi împărțit în intervale mult mai mici, făcând posibilă măsurarea secundelor sau chiar a fracțiunilor de secundă.,cu toate acestea, rotația Pământului era încă „ceasul principal” față de care Alte ceasuri erau calibrate și ajustate în mod regulat.
de la cristal la atomic
pe măsură ce tehnologia a progresat, nevoia de sincronizare cu rezoluție mai mare a crescut. Ceasurile pendulului au fost depășite treptat de ceasurile de cuarț, dintre care primul a fost construit în 1927 de Warren Marrison și Joseph Horton la laboratoarele de telefonie Bell din SUA. În aceste dispozitive, un curent electric face ca un cristal de cuarț să rezoneze la o frecvență specifică care este mult mai mare decât oscilațiile unui pendul.,frecvența acestor ceasuri este mai puțin sensibilă la perturbațiile de mediu decât dispozitivele de cronometrare mai vechi, făcându-le mai precise. Chiar și așa, ceasurile cu cuarț se bazează pe o vibrație mecanică a cărei frecvență depinde de dimensiunea, forma și temperatura cristalului. Nu există două cristale identice, așa că trebuie calibrate împotriva unei alte referințe – aceasta a fost perioada de rotație a Pământului, al doilea fiind definit ca 1/86,400 TH din ziua solară medie (vezi caseta, de mai jos).
timpul de standardizare
timpul Solar nu este același peste tot., În Marea Britanie, de exemplu, Birmingham este la opt minute în spatele Londrei, iar Liverpool este la 12 minute în urmă. În timp ce timpul de comunicare și de călătorie între centrele majore de populație a fost lent, acest lucru a contat puțin. Dar situația sa schimbat dramatic odată cu construcția căilor ferate în secolul al XIX-lea. Având momente locale diferite la fiecare stație a provocat confuzie și din ce în ce mai mult, pe măsură ce rețeaua sa extins, accidente și aproape ratări. A fost nevoie de un singur timp standardizat.,Marea cale ferată de Vest a condus drumul în 1840, iar” timpul feroviar ” a fost preluat treptat de alte companii feroviare în următorii câțiva ani. Orarele au fost standardizate la Greenwich Mean Time (GMT), și de 1855 semnale de timp au fost transmise telegrafic de la Greenwich peste rețeaua feroviară britanică. Cu toate acestea, abia în 1880, rolul GMT ca timp standard unificat pentru întreaga țară a fost stabilit în legislație., Patru ani mai târziu, la Conferința Internațională Meridian a avut loc în Washington DC în SUA, GMT, a fost adoptat ca standard de referință pentru zone de timp în întreaga lume și al doilea a fost definit în mod oficial ca o fracțiune (1/86,400) de zi solară.cu toate acestea, există probleme cu această definiție a celui de-al doilea. Pe măsură ce capacitatea noastră de a măsura această unitate de timp sa îmbunătățit, a devenit clar că perioada de rotație a Pământului nu este constantă., Perioada nu numai că încetinește treptat din cauza frecării mareelor, dar variază și în funcție de sezon și, chiar mai rău, fluctuează în moduri imprevizibile.
în 1955 NPL a pus în mișcare o revoluție în cronometrare când Louis Essen și Jack Parry au produs primul standard practic de frecvență atomică de cesiu (vezi caseta de mai jos). Dispozitivul lor nu era cu adevărat un ceas, deoarece nu funcționa continuu și era pur și simplu folosit pentru a calibra frecvența unui ceas de cuarț extern la intervale de câteva zile., Cu toate acestea, studiind modul în care frecvența de rezonanță depindea de condițiile de mediu, Essen și Parry au arătat convingător că tranzițiile dintre nivelurile de energie discrete în atomii de cesiu bine izolați ar putea oferi o referință mult mai stabilă a intervalului de timp decât orice standard bazat pe mișcarea corpurilor astronomice. După cum a scris Essen mai târziu: „l-am invitat pe regizor să vină și să asiste la moartea celei de-a doua astronomice și la nașterea timpului atomic.,”
cum funcționează un ceas atomic
într-un ceas atomic de cesiu, frecvența unei surse de microunde este ajustată cu atenție până când atinge frecvența de rezonanță corespunzătoare diferenței de energie dintre cele două niveluri hiperfine ale atomilor de cesiu: 9,192,631,770 Hz. Atomii absorb radiația cu microunde și un semnal de feedback generat de semnalul de absorbție este utilizat pentru a menține sursa de microunde reglată la această frecvență extrem de specifică., Afișarea timpului este generată prin numărarea electronică a oscilațiilor sursei de microunde.ceasul original al lui Louis Essen De la Laboratorul Național de Fizică din Marea Britanie a folosit un fascicul termic de atomi de cesiu și a avut o precizie de aproximativ o parte în 1010. În zilele noastre, standardele primare de cesiu folosesc un aranjament cunoscut sub numele de „fântână atomică”, în care atomii răciți cu laser sunt lansați în sus printr-o cavitate cu microunde înainte de a cădea înapoi sub gravitație. Utilizarea atomilor reci înseamnă că timpul de interacțiune poate fi mult mai lung decât într-un ceas cu fascicul termic, oferind o rezoluție spectrală mult mai mare., Cu o evaluare atentă a sistematică schimburi de frecvență care decurg din mediu perturbatii, azi e mai bine cesiu fântâni au ajuns la o precizie de o parte în 1016, deși măsurătorile trebuie să fie în medie pe mai multe zile pentru a ajunge la acest nivel. Ele contribuie ca standarde primare la timpul Atomic internațional (TAI).
dar a arăta că noul standard a fost stabil a fost insuficient pentru a redefini al doilea. O nouă definiție trebuia să fie în concordanță cu cea veche în limita tehnică a incertitudinii de măsurare., Prin urmare, Essen și Parry au continuat să măsoare frecvența standardului lor de cesiu în raport cu scala de timp astronomică difuzată de Observatorul Royal Greenwich.între timp, astronomii au trecut la utilizarea timpului ephemeris, bazat pe perioada orbitală a Pământului în jurul Soarelui. Rațiunea lor a fost că este mai stabilă decât rotația Pământului, dar, din păcate, pentru majoritatea scopurilor practice de măsurare, este imposibil de lungă., Cu toate acestea, Comitetul Internațional pentru greutăți și măsuri și-a urmat conducerea, iar în 1956 a selectat ephemerisul al doilea pentru a fi unitatea de bază a timpului în Sistemul Internațional de unități. După cum a spus Essen: „chiar și organismele științifice pot lua decizii ridicole.dar ridicol sau nu, avea nevoie să coreleze frecvența cesiului cu ephemerisul al doilea, sarcină pe care a îndeplinit-o în colaborare cu William Markowitz de la Observatorul Naval al Statelor Unite., În cele din urmă, în 1967, Conferința Generală privind greutățile și măsurile a decis că a venit momentul să redefinească a doua ca „durata a 9,192,631,770 perioade de radiație corespunzătoare tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării de bază a atomului de cesiu-133”.
următoarea generație
Mai compact și mai puțin costisitoare – deși mai puțin exacte – versiuni de cesiu ceasuri atomice au fost, de asemenea, dezvoltat, și aplicații au înflorit. S-ar putea să nu ne dăm seama întotdeauna, dar sincronizarea de precizie stă la baza multor caracteristici ale vieții noastre de zi cu zi. Telefoanele Mobile, tranzacțiile financiare, Internetul, energia electrică și sistemele globale de navigație prin satelit se bazează pe standardele de timp și frecvență.,dar, deși tranziția de cesiu sa dovedit a fi o bază durabilă pentru definirea celui de-al doilea, ceasurile atomice de cesiu pot atinge acum limita preciziei lor, iar îmbunătățirile pot deschide noi aplicații. Ca răspuns, o nouă generație de ceasuri atomice apare pe baza tranzițiilor optice, mai degrabă decât a microundelor. Aceste ceasuri noi obține precizia lor îmbunătățită la frecvențele lor de operare mult mai mari., Toate celelalte lucruri fiind egale, stabilitatea unui ceas atomic este proporțională cu frecvența sa de funcționare și invers proporțională cu lățimea tranziției electronice. În practică, însă, stabilitatea depinde și de raportul semnal-zgomot al caracteristicii de absorbție atomică.într-un ceas atomic optic, un laser ultra – stabil este blocat într-o tranziție electronică îngustă spectral în regiunea optică a spectrului-așa-numita „tranziție de ceas”., Ceasurile optice studiate astăzi se împart în două categorii: unele se bazează pe ioni blocați răciți cu laser, iar altele se bazează pe ansambluri de atomi răciți cu laser prinși într-o rețea optică.primul, un singur ion răcit cu laser într-o capcană electromagnetică de radiofrecvență, se apropie de idealul spectroscopic al unei particule absorbante în repaus într-un mediu fără perturbații. Când este răcit, acesta poate fi limitat la o regiune a spațiului cu dimensiuni mai mici decât lungimea de undă a luminii laser a ceasului, ceea ce înseamnă că lărgirea Doppler a caracteristicii de absorbție este eliminată.,prin controlul mișcării sale reziduale pentru a se asigura că este strâns limitat la Centrul capcanei, alte schimbări sistematice de frecvență pot fi, de asemenea, suprimate foarte mult. Prin urmare, acest tip de ceas are potențialul de precizie foarte mare. Dezavantajul este că un singur ion dă un semnal de absorbție cu raport scăzut semnal-zgomot, ceea ce limitează stabilitatea ceasului care poate fi atins.
atomii neutri, pe de altă parte, pot fi prinși și răciți în număr mare, rezultând un semnal cu un raport semnal-zgomot mult mai bun., Stabilitatea, de exemplu, se îmbunătățește cu rădăcina pătrată a numărului de atomi, toate celelalte fiind egale. Cercetătorii pot limita acum mii de atomi răciți cu laser într-o capcană optică cu zăbrele – cel mai frecvent o gamă 1D de puțuri potențiale formate prin intersectarea fasciculelor laser.
s-ar putea aștepta ca fasciculele de lumină folosite pentru a prinde atomii să modifice frecvența tranziției ceasului., Cu toate acestea, acest lucru poate fi evitat prin reglarea laserului utilizat pentru a crea rețeaua la o lungime de undă „magică” la care nivelurile superioare și inferioare ale tranziției ceasului se schimbă exact cu aceeași cantitate – o soluție propusă pentru prima dată în 2001 de Hidetoshi Katori, de la Universitatea din Tokyo din Japonia.recordul actual pentru stabilitatea optică a ceasului este deținut de grupul lui Andrew Ludlow de la Institutul Național pentru Standarde și Tehnologie din SUA din Boulder, Colorado. Ceasul lor cu zăbrele optice ytterbium a demonstrat recent o stabilitate a unei părți în 1018 pentru o medie de câteva mii de secunde., Cu toate acestea, ceasurile optice cu ioni prinși au demonstrat, de asemenea, stabilități cu mult sub cele ale ceasurilor atomice de cesiu, iar ambele tipuri au atins acum incertitudini sistematice estimate la părțile joase la nivelul 1018. Acest lucru depășește cu mult precizia standardelor primare de cesiu și ridică o întrebare evidentă: este timpul să redefinim încă o dată al doilea?
viitor de timp
frecvența selectată optice standard ar fi, desigur, trebuie să fie determinate cu exactitate în termeni de cesiu frecvență, pentru a evita orice discontinuitate în definiție. Dar acest lucru poate fi realizat cu ușurință folosind un pieptene de frecvență optică femtosecundă – o sursă laser al cărei spectru este un pieptene de frecvențe distanțate în mod regulat – pentru a reduce decalajul dintre frecvențele optice și cele cu microunde. Un obstacol în calea unei redefiniri este că nu este clar care ceas optic va fi în cele din urmă cel mai bun., Fiecare sistem studiat are avantaje și dezavantaje – unele oferă o stabilitate mai mare, în timp ce altele sunt foarte imune la perturbațiile de mediu.o altă provocare este verificarea experimentală a incertitudinilor sistematice estimate prin comparații directe între ceasurile optice dezvoltate independent în diferite laboratoare. Aici cercetătorii din Europa au un avantaj, deoarece este deja posibil să se compare ceasurile optice din Marea Britanie, Franța și Germania cu nivelul necesar de precizie folosind legături cu fibre optice., Din păcate, aceste tehnici nu pot fi utilizate în prezent pe scale intercontinentale și trebuie găsite modalități alternative de conectare la ceasurile optice din SUA și Japonia.
experimentele de comparare a ceasului la distanță trebuie să țină cont și de schimbarea roșie gravitațională a frecvențelor ceasului. Pentru ceasurile optice cu incertitudini ale unei părți în 1018, aceasta înseamnă că potențialul gravitațional la locurile de ceas trebuie să fie cunoscut cu o precizie corespunzătoare înălțimii de aproximativ 1 cm, o îmbunătățire semnificativă a stadiului actual al tehnicii. De asemenea, trebuie luate în considerare variațiile mareelor ale potențialului gravitațional.,deși toate aceste provocări sunt susceptibile de a fi depășite în timp, o redefinire a celei de-a doua va necesita consens internațional și este încă o cale de ieșire. Până atunci, comunitatea globală de metrologie a timpului și frecvenței a fost de acord că ceasurile atomice optice pot contribui, în principiu, la intervalele de timp internaționale ca reprezentări secundare ale celui de-al doilea.într-adevăr, precizia fără precedent a ceasurilor atomice optice beneficiază deja de fizica fundamentală., De exemplu, au fost stabilite limite îmbunătățite privind variația timpului curent al Constantei structurii fine (α ≈ 1/137) și raportul masă proton-electron prin compararea frecvențelor diferitelor Ceasuri pe o perioadă de câțiva ani.ceasurile optice ar putea, de asemenea, să deschidă aplicații complet noi. Prin compararea frecvenței unui ceas optic transportabil cu un ceas de referință fix, vom putea măsura diferențele de potențial gravitațional între locații bine separate cu sensibilitate ridicată, precum și rezoluție temporală și spațială ridicată., Astfel de măsurători vor duce la definiții mai consistente ale înălțimilor deasupra nivelului mării – în prezent, diferite țări măsoară în raport cu diferite calibre de maree, iar nivelul mării nu este același peste tot pe Pământ. Ele ne-ar putea permite, de asemenea, să monitorizăm schimbarea nivelului mării în timp real, urmărind tendințele sezoniere și pe termen lung în masele de gheață și schimbările globale ale masei oceanice-date care oferă o contribuție critică în modelele utilizate pentru a studia și prognoza efectele schimbărilor climatice., Este ironic poate că vom putea studia Pământul – a cărui rotație a definit inițial al doilea-mai detaliat cu ajutorul ultimului său uzurpator: ceasul optic.
