211service.com
Natuurkundigen onthullen 's werelds meest nauwkeurige klok (en een tweeling om hem mee te vergelijken)
Klokken zijn een van de ondersteunende technologieën van de moderne wereld. Zonder zeer nauwkeurige klokken zou het wereldwijde positioneringssysteem niet correct functioneren, en zou het evenmin mogelijk zijn om netwerken over grote afstanden te synchroniseren. En natuurkundigen vertrouwen op klokken om de fundamentele wetten van het universum naar steeds diepere niveaus te testen.
Het hebben van nauwkeurigere en betrouwbaardere klokken is dus een belangrijk doel.
Vandaag onthullen Andrew Ludlow van het National Institute of Standards and Technology in Boulder en een paar vrienden de twee nauwkeurigste klokken ooit gebouwd. Ze zeggen dat hun nieuwe klokken de tijd kunnen bijhouden met een ongekende precisie van één deel op 10-18.
Ludlow en co plaatsen dit in perspectief: een meting op het fractionele niveau van 1018 komt overeen met het specificeren van de leeftijd van het bekende universum met een precisie van minder dan een seconde of de diameter van de aarde tot minder dan de breedte van een atoom.
Hun klok is een eenvoudig beest, althans in principe. Het basisidee is dat een seconde kan worden gedefinieerd door de frequentie van het licht dat door een atoom wordt uitgezonden wanneer elektronen in de grondtoestand naar een andere toestand springen.
De moeilijkheid is om deze frequentie nauwkeurig te meten. Dat komt omdat elke kleine beweging van het atoom een Doppler-effect genereert dat de frequentie verschuift. Bovendien kunnen verdwaalde elektrische velden deze elektronische overgangen verschuiven, waardoor hun frequentie verandert, een fenomeen dat bekend staat als een Stark-verschuiving. Het overwinnen van deze kleine foutenbronnen is de grootste uitdaging bij het bouwen van nauwkeurige klokken.
Ludlow en vrienden hebben het gedaan met behulp van een technologie die bekend staat als een optische roosterklok. Bij deze benadering kaatsen ze een laser tegen een spiegel om een staande lichtgolf te creëren die een rooster vormt om atomen op te vangen. Dit is een soort eierdoos waarin de atomen zitten.
Vervolgens vullen ze deze eierdoos met ytterbium-atomen en zappen ze met een andere laser om de frequentie te zien waarop de elektronische overgang plaatsvindt.
De eierdoos is belangrijk omdat het de atomen in een bankschroefachtige greep houdt die eventuele Doppler-effecten minimaliseert.
Elektrische velden die met het licht worden geassocieerd, genereren echter een Stark-verschuiving. Het team omzeilt dit door een zogenaamde magische overgang in ytterbium te kiezen waarin beide elektronische toestanden met dezelfde hoeveelheid worden verschoven, waarbij de overgangsfrequentie ongewijzigd blijft.
En omdat de eierdoos met veel atomen gevuld kan worden, kunnen Ludlow en co- hun metingen doen met veel atomen zodat ze een duidelijker signaal krijgen.
Het resultaat is een klok die slechts één tik op 1018 tikken verliest.
Natuurlijk is er geen manier om de nauwkeurigheid van een enkele klok te meten, daarom hebben deze jongens er twee.
De nieuwe klokken maken meteen een aantal nieuwe en belangrijke toepassingen mogelijk. Deze klokken zijn zo gevoelig dat ze gemakkelijk de zwaartekrachtsroodverschuiving kunnen meten, waarbij klokken langzamer tikken in krachtigere zwaartekrachtvelden. Met andere woorden, ze kunnen hoogteverschillen voelen.
De beste klokken van tegenwoordig zijn gevoelig voor veranderingen van vele meters of kilometers. De nieuwe klok moet veranderingen van ongeveer 1 cm aan het aardoppervlak kunnen waarnemen. Dat zal zijn voor toepassingen als hydrologie, geologie en het meten van ijspakkingsveranderingen in klimaatstudies.
Het zou ook natuurkundigen moeten testen of zaken als de zwaartekracht roodverschuiving en de fijne structuur constant veranderen met de positie, belangrijke fundamentele tests van de natuurkunde.
De verbetering van klokken is een continu proces dat de mensheid gedurende duizenden jaren heeft ondernomen. Deze nieuwste uurwerken zijn het indrukwekkende hoogtepunt van al dit werk en toch zullen ze in de niet al te verre toekomst overschaduwd worden.
Inderdaad wijzen Ludlow en co op verschillende verbeteringen die ze in de nabije toekomst moesten doorvoeren om hun klok nog beter te maken. En als ze dat doen, zullen de volgende klokken nog beter zijn. Dat is de aard van technologie.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1305.5869 : Een atoomklok met 10-18 instabiliteit