دقیق ترین و دقیق ترین ساعت اتمی جهان مرزهای جدیدی را در فیزیک پیش می برد

در تلاش دائم بشر برای کمال، دانشمندان یک ساعت اتمی ساخته اند که دقیق تر و دقیق تر از هر ساعتی است که قبلا ساخته شده بود. ساعت جدید توسط محققان JILA، موسسه مشترک موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و دانشگاه کلرادو بولدر ساخته شده است.

این ساعت با فعال کردن ناوبری دقیق در گستره وسیع فضا و همچنین جستجو برای ذرات جدید، آخرین ساعتی است که صرفاً از زمان‌سنجی فراتر رفته است. این زمان‌سنج‌های نسل بعدی می‌توانند با افزایش دقت خود، ذخایر معدنی زیرزمینی پنهان را آشکار کنند و نظریه‌های بنیادی مانند نسبیت عام را با دقت بی‌سابقه‌ای آزمایش کنند. برای معماران ساعت اتمی، این فقط ساخت ساعتی بهتر نیست. این در مورد کشف اسرار جهان و هموار کردن راه برای فن آوری است که جهان ما را برای نسل های آینده شکل خواهد داد.

جامعه علمی جهان در حال بررسی است تعریف مجدد دوم، واحد بین المللی زمان، بر اساس این نسل بعدی ساعت های اتمی نوری. ساعت‌های اتمی نسل موجود، امواج مایکروویو را به اتم‌ها می‌تابانند تا ثانویه را اندازه‌گیری کنند. این موج جدید ساعت‌ها، اتم‌ها را با امواج نور مرئی، که فرکانس بسیار بالاتری دارند، روشن می‌کند تا ثانیه‌ها را با دقت بیشتری بشمارند. در مقایسه با ساعت‌های مایکروویو کنونی، انتظار می‌رود ساعت‌های نوری دقت بسیار بالاتری را برای زمان‌سنجی بین‌المللی ارائه دهند – به طور بالقوه تنها یک ثانیه در هر 30 میلیارد سال از دست می‌دهند.

اما قبل از اینکه این ساعت‌های اتمی بتوانند با چنین دقت بالایی کار کنند، باید دقت بسیار بالایی داشته باشند. به عبارت دیگر، آنها باید قادر به اندازه گیری کسری بسیار کوچک از ثانیه باشند. دستیابی به دقت بالا و دقت بالا می تواند پیامدهای گسترده ای داشته باشد.

گرفتار زمان

ساعت جدید JILA از شبکه ای از نور به نام an “شبکه نوری” برای به دام انداختن و اندازه گیری ده ها هزار اتم منفرد به طور همزمان. داشتن چنین مجموعه بزرگی مزیت بزرگی در دقت ایجاد می کند. هرچه تعداد اتم های بیشتری اندازه گیری شود، ساعت داده های بیشتری برای اندازه گیری دقیق ثانیه دارد.

برای دستیابی به عملکرد رکوردشکنی جدید، محققان JILA از روشی کم عمق تر و ملایم تر استفاده کردند “وب” از نور لیزر برای به دام انداختن اتم ها، در مقایسه با ساعت های شبکه نوری قبلی. این به طور قابل توجهی دو منبع اصلی خطا را کاهش داد – اثرات ناشی از نور لیزر که اتم‌ها را به دام می‌اندازد، و برخورد اتم‌ها به یکدیگر در صورت بسته‌بندی خیلی محکم.

محققان پیشرفت های خود را در نامه های بررسی فیزیکی.

سنجش نسبیت در کوچکترین مقیاس

Jun Ye، فیزیکدان NIST و JILA می گوید: «این ساعت آنقدر دقیق است که می تواند اثرات کوچک پیش بینی شده توسط نظریه هایی مانند نسبیت عام را حتی در مقیاس میکروسکوپی تشخیص دهد. “این در حال جابجایی مرزهای چیزی است که با زمان سنجی امکان پذیر است.”

نسبیت عام نظریه انیشتین است که توضیح می دهد چگونه گرانش توسط تاب برداشتن فضا و زمان ایجاد می شود. یکی از پیش‌بینی‌های کلیدی نسبیت عام این است که زمان خود تحت تأثیر گرانش است – هر چه میدان گرانشی قوی‌تر باشد، زمان کندتر می‌گذرد.

این طراحی ساعت جدید می‌تواند به تشخیص اثرات نسبیتی بر زمان‌سنجی در مقیاس زیر میلی‌متری، تقریباً به ضخامت یک موی انسان کمک کند. بالا بردن یا پایین آوردن ساعت به اندازه آن فاصله ناچیز برای محققان کافی است تا تغییرات جزئی در جریان زمان ناشی از گرانش را تشخیص دهند.'اثرات s

این توانایی برای مشاهده اثرات نسبیت عام در مقیاس میکروسکوپی می تواند به طور قابل توجهی شکاف بین قلمرو کوانتومی میکروسکوپی و پدیده های مقیاس بزرگ توصیف شده توسط نسبیت عام را پر کند.

ناوبری در فضا و پیشرفت های کوانتومی

ساعت‌های اتمی دقیق‌تر نیز امکان ناوبری و اکتشاف دقیق‌تری در فضا را فراهم می‌کنند. با ورود انسان به منظومه شمسی، ساعت‌ها باید زمان دقیقی را در فواصل بسیار دور نگه دارند. حتی خطاهای کوچک در زمان سنجی می تواند منجر به خطاهای ناوبری شود که هر چه دورتر سفر می کنید به طور تصاعدی افزایش می یابد.

“اگر بخواهیم یک فضاپیما را با دقت دقیق بر روی مریخ فرود بیاوریم، به ساعت هایی با قدری دقیق تر از آنچه امروز در GPS داریم نیاز داریم.” گفت بله “این ساعت جدید گامی بزرگ در جهت امکان پذیر ساختن آن است.”

روش‌های مشابهی که برای به دام انداختن و کنترل اتم‌ها استفاده می‌شود، می‌تواند پیشرفت‌هایی در محاسبات کوانتومی نیز ایجاد کند. کامپیوترهای کوانتومی برای انجام محاسبات باید بتوانند به طور دقیق خصوصیات داخلی اتم ها یا مولکول ها را دستکاری کنند. پیشرفت در کنترل و اندازه گیری سیستم های کوانتومی میکروسکوپی به طور قابل توجهی این تلاش را پیش برده است.

محققان با ورود به قلمرو میکروسکوپی جایی که نظریه‌های مکانیک کوانتومی و نسبیت عام تلاقی می‌کنند، دریچه‌ای را به روی سطوح جدیدی از درک درباره ماهیت بنیادی خود واقعیت باز می‌کنند. از مقیاس های بی نهایت کوچک که در آن جریان زمان توسط گرانش منحرف می شود، تا مرزهای کیهانی وسیع که در آن ماده تاریک و انرژی تاریک در حال تغییر هستند، این ساعت'دقت عالی نویدبخش روشن کردن برخی از عمیق ترین اسرار جهان است.

“ما در حال بررسی مرزهای علم اندازه گیری هستیم،” گفتی “وقتی بتوانید چیزها را با این سطح از دقت اندازه گیری کنید، شروع به دیدن پدیده هایی می کنید که ما تاکنون فقط می توانستیم در مورد آنها نظریه پردازی کنیم.”

کاغذ: الکساندر اپلی، کیونگتای کیم، ویلیام وارفیلد، ماریانا اس. سافرونوا و جون یه. یک ساعت با 8 × 10^-19 عدم قطعیت سیستماتیک نامه های بررسی فیزیکی منتشر شده به صورت آنلاین در 10 ژوئیه 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.023401