Hvad verdens mest nøjagtige ur kan fortælle os om Jorden og kosmos

Det ville tage 15 milliarder år, før uret, der optager Jun Yes kælderlaboratorium ved University of Colorado, tabte et sekund - om hvor lang tid universet har eksisteret.

For denne opfindelse, den kinesisk-amerikanske videnskabsmand, sammen med Hidetoshi Katori fra Japan, vil dele $3 millioner som medvindere af 2022 Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

Arbejder selvstændigt, de to udviklede teknikker ved hjælp af lasere til at fange og afkøle atomer, derefter udnytte deres vibrationer til at drive det, der er kendt som "optiske gitterure, "de mest præcise tidtagningsstykker, der nogensinde er bygget.

Til sammenligning, nuværende atomure taber et sekund hver 100 millioner år.

Men hvad opnås ved større nøjagtighed?

"Det er virkelig et instrument, der giver dig mulighed for at undersøge rumtidens grundlæggende struktur i universet, "Det fortalte du til AFP.

I Yes laboratorium, forskere har vist, at tiden går langsommere, når uret flyttes tættere på jorden med få centimeter, i tråd med Einsteins forudsigelser om relativitet.

Anvendt på nuværende teknologi, disse ure kunne forbedre GPS-navigationsnøjagtigheden med en faktor på tusind, eller hjælpe med at lande et ubemandet rumfly på Mars.

En kort tidshistorie

At forbedre præcisionen og nøjagtigheden af ​​tidtagning har været et mål, siden oldtidens egyptere og kinesere lavede solur.

Et vigtigt gennembrud kom med opfindelsen af ​​penduluret i 1656, som er afhængig af en svingende vægt for at holde tiden, og et par årtier senere var kronometre nøjagtige nok til at bestemme et skibs længdegrad på havet.

Det tidlige 20. århundrede så fremkomsten af ​​kvartsure, som, når de rykkes med elektricitet, giver genlyd ved meget specifikke, høje frekvenser, eller antallet af kryds på et sekund.

Kvartsure er allestedsnærværende i moderne elektronik, men er stadig lidt modtagelige for variationer forårsaget af fremstillingsprocessen, eller forhold som temperatur.

Det næste store spring i tidtagningen kom fra at udnytte bevægelser af energiske atomer til at udvikle atomure, som er immune over for virkningerne af sådanne miljøvariationer.

Fysikere ved, at en enkelt, meget høj frekvens vil få partikler kaldet elektroner, der kredser om kernen af ​​en bestemt type atom, til at hoppe til en højere energitilstand, finde en bane længere væk fra kernen.

Atomure genererer den omtrentlige frekvens, der får atomer af grundstoffet Cæsium til at hoppe til den højere energitilstand.

Derefter, en detektor tæller antallet af de energiserende atomer, justering af frekvensen om nødvendigt for at gøre uret mere præcist.

Så præcist, at siden 1967, et sekund er blevet defineret som 9, 192, 631, 770 svingninger af et cæsiumatom.

Udforske universet, og Jorden

Katoris og Ye's laboratorier har fundet måder at forbedre atomure endnu mere ved at flytte oscillationer til den synlige ende af det elektromagnetiske spektrum, med frekvenser hundrede tusinde gange højere end dem, der bruges i nuværende atomure - for at gøre dem endnu mere præcise.

De indså, at de havde brug for en måde at fange atomerne på – i dette tilfælde, af grundstoffet strontium - og hold dem stille med ultralave temperaturer for at hjælpe med at måle tiden korrekt.

Hvis atomerne falder på grund af tyngdekraften eller på anden måde bevæger sig, der ville være et tab af nøjagtighed, og relativitet ville medføre forvridende virkninger på tidtagningen.

For at fange atomerne, opfinderne skabte et "optisk gitter" lavet af laserbølger, der bevægede sig i modsatte retninger for at danne en stationær, æggekarton-lignende form.

Ye er begejstret for den potentielle brug af hans ur. For eksempel, synkronisering af urene fra verdens bedste observatorier ned til de mindste brøkdele af et sekund ville give astronomer mulighed for bedre at konceptualisere sorte huller.

Bedre ure kan også kaste nyt lys over Jordens geologiske processer.

Relativitet fortæller os, at tiden går langsommere, når den nærmer sig en massiv krop, så et tilstrækkeligt nøjagtigt ur kunne fortælle forskerne forskellen mellem fast sten og vulkansk lava under overfladen, hjælper med at forudsige et udbrud.

Eller faktisk, måle niveauerne i oceanerne, eller hvor meget vand der strømmer under en ørken.

Den næste store udfordring, Du siger, vil miniaturere teknologien, så den kan flyttes ud af et laboratorium.

Forskeren indrømmer, at det nogle gange er svært at forklare grundlæggende fysikkoncepter for offentligheden.

"Men når de hører om ure, de kan mærke, at det er en håndgribelig ting, de kan skabe forbindelse til det, og det er meget givende, " han sagde.

© 2021 AFP