Actualizat sâmbătă, 15 iunie, la 15:38. ET.
Accesoriul final în cronometrarea exactă - ceasul atomic - este setat să devină și mai precis, după ce impulsurile laser cu ultrasunete au fost transmise cu succes în aer liber pentru a ajuta la sincronizarea „bifării” noilor ceasuri atomice optice.
Păstrarea timpului extrem de precis nu este doar o chestiune de realizare științifică. Este o cheie pentru multe tehnologii moderne, de la sisteme de poziționare globală (GPS) la rețele de telefonie mobilă și emițătoare de emisiuni. În cazul sistemelor GPS, o eroare de doar o nanosecundă sau o miliardime de secundă ar însemna că locația este de aproximativ 12 centimetri (30 centimetri).
Pentru a asigura o precizie maximă, standardul național de timp al Statelor Unite este determinat de ceasuri atomice. Cei actuali folosesc atomi de cesiu extrem de reci, răciți cu laser la temperaturi apropiate de zero absolut. Atomii de cesiu sunt apoi sablați cu microunde până când atomii vibrează la o anumită frecvență. Acea frecvență este egală cu energia care se absoarbe atunci când radiația cu microunde face ca electronul cel mai extern al atomului de cesiu să sară pe o orbită mai mare sau 9.192.631.770 Hz. Ceea ce numim „a doua” este apoi derivat din durata de 9.192.631.770 de perioade ale acestei frecvențe. [Fizica neplăcută: cele mai cool particule mici din natură]
Acum fizicienii dezvoltă noi ceasuri atomice optice, care ar putea fi de aproximativ 100 de ori mai precise decât cele pe bază de microunde. Ei funcționează într-un mod similar, dar folosesc lumină laser în loc de microunde. Lumina cu laser are o frecvență mult mai mare și, prin urmare, oferă o rezoluție de sincronizare mult mai bună și o transmitere mult mai rapidă a datelor.
Probleme cu ora
Multe laboratoare naționale de cronometrare au cel puțin un tip de ceas atomic optic,dar definiția unei secunde nu se bazează încă pe ele, parțial pentru că nu este încă posibil să se asigure că toate aceste ceasuri bifează exact la aceeași viteză. Ceasurile atomice optice sunt dispozitive extrem de delicate și, de asemenea, nu toate sunt de de același tip. Pot folosi specii de atomi complet diferite - precum ionul de aluminiu, ionul neutru de stronțiu sau ionul de ytterbiu, care sunt doar niște analogi optici ai ceasului cu microunde.
Dar chiar dacă ceasurile optice din laboratoare diferite utilizează aceiași atomi, acuratețea ceasurilor depinde de cât de bine controlează oamenii de știință a mediului, a spus Patrick Gill, de la Laboratorul Național de Fizică din Marea Britanie. Factorii includ „temperatura de fundal, dacă există zgomotul câmpului magnetic și electric, de asemenea influența precisă a gravitației, [pentru că] ceasurile la diferite înălțimi dau lecturi diferite datorită relativității generale a lui Einstein. "
Pentru a utiliza ceasurile atomice optice ca o perioadă de timp comună globală, timpul de pe oricare dintre ceasuri se potrivește. A se asigura că ceasurile se potrivesc este relativ ușor dacă ceasurile stau unul lângă altul în același laborator, a spus Gill, dar este mai dificil pentru ceasurile localizate de la distanță.
În prezent, cea mai bună metodă de a face ceasurile optice se potrivesc prin transmiterea frecvenței optice sau a luminii către ceasul de la distanță, trimițând informațiile de-a lungul unei fibre optice pentru a compara cele două frecvențe și „a vedea cât de bine sunt de acord”. Spuse Gill. El a adăugat că, dacă ceasurile nu sunt de acord, oamenii de știință trebuie să își dea seama ce este cauza glitch-ului și apoi controlul pentru acel factor.
"Acest lucru este absolut crucial dacă dorim să folosim la maxim capacitatea de ceas optic", a spus Gill.
Însă fibrele nu sunt o soluție ideală pentru zonele îndepărtate și dificil de accesat.
Nu mai sunt cabluri
Așadar, fizicienii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) din Statele Unite au decis să elimine cablurile. În schimb, au folosit un laser pentru a genera impulsuri cu infraroșu ultrashort la o viteză foarte precisă de 1 picosecundă la fiecare 10 nanosecunde, unde 10 ns corespunde unui număr stabilit de „căpușe” ale unui ceas atomic optic.
Echipa NIST a transmis impulsurile dintr-o singură locație spre o oglindă la o distanță de 1 km (1 km); impulsurile s-au reflectat în oglindă și s-au transmis înapoi către o a treia locație, nu departe de prima - arătând efectiv că a fost posibil să ia un ceas de bifare foarte precis și să-și transfere căpușele într-o locație la 1,2 mile (2 km) distanță "fără a o încurca. ", a declarat coautorul studiului, Nathan Newbury, al Diviziei Electronică și Fotonică NIST. "Link-ul real este o buclă."
Testul s-a făcut peste țară, dar, în cele din urmă, speră cercetătorii, ar trebui să fie posibil să se transfere impulsurile prin sateliți.
În viitor, ceasurile atomice optice ar putea fi utilizate pentru experimente bazate pe satelit pentru a demonstra teoria lui Einstein a relativității generale și pentru a crea sisteme GPS mai precise de navigație prin satelit, care „ar putea fi îmbunătățite în sensul că puteți pune mai bine ceasuri optice în sateliți și reticulă ele optic ", a spus Newbury. [Top 10 invenții care au schimbat lumea]
"Este posibil să existe un argument pentru securitate. În prezent, GPS-ul este fragil în sensul în care îl puteți bloca. Un sistem cu o coloană vertebrală optică este mult mai sigur, deoarece nu îl puteți bloca - sistemele optice sunt direcționale, deci sunt mult mai greu de blocat ", A adăugat Newbury. De asemenea, este motivul pentru care semnalele optice sunt mai dure de trimis și de primit, pentru că trebuie să indicați locul corect. "
Probleme atmosferice
Turbulența atmosferică este una dintre obstacole ceasurile optice va trebui să se șterge, deoarece moleculele din aer, în unele cazuri, pot rupe un semnal optic și pot duce la o eroare de sincronizare.
"Sistemul nostru nu este limitat de lungimea legăturii, în ceea ce privește precizia, dar, la un moment dat, turbulența poate întrerupe legătura", a declarat autorul studiului principal, Fabrizio Giorgetta, de asemenea al NIST. „Dacă există ceață densă, nu putem face nimic”. Dar, în timpul vântului sau al ploii, a adăugat el, o așa-numită oglindă agitată ajută la corectarea turbulenței.
Gill al Laboratorului Național de Fizică din Marea Britanie, care nu a fost implicat în cercetare, a numit studiul „un bun punct de plecare” pentru o metodă alternativă la fibre optice pentru ceasuri atomice optice precise. Dacă metoda optică funcționează, clopotul s-ar putea taxa pentru ceasuri atomice pe bază de microunde.
Finanțat parțial de DARPA, studiul a fost detaliat în revista Nature Photonics.
Nota editorului: Acest articol a fost actualizat pentru a corecta unitățile de frecvență de la 9.192.631.770 GHz la 9.192.631.770 Hz.
Urmează-ne @wordssidekick, Facebook. Articol original pe WordsSideKick.com.
Pentru a crea ceasuri atomice optice legate fără fir, cercetătorii au transmis impulsuri laser în aer liber.