Hoe een atoomklok de tijd meet
Het ontwerp van atoomklokken bevat een kwartskristal: het trekt samen en
Om te begrijpen hoe dit werkt, moet je het onthoudenstructuur van het atoom. In het centrum bevindt zich een kern die positief geladen is: daaromheen bevinden zich negatief geladen elektronen, elk in zijn eigen baan. Bovendien bevindt elk van hen zich op een specifiek energieniveau, dat wil zeggen dat het een bepaalde hoeveelheid energie heeft als gevolg van aantrekking tot de kern.
Dit niveau kan worden gewijzigd door te verzendenmeer energie naar het elektron, hiervoor kun je bijvoorbeeld het atoom opwarmen. Dan keert het elektron weer terug naar zijn niveau en geeft het de overmaat op in de vorm van straling. Alles is op deze straling gebouwd: het heeft een bepaalde frequentie en lijkt op een slinger in een klok.
Tegenwoordig kunnen atoomklokken werken op atomen van rubidium, strontium, waterstof: het principe verandert hier niets aan.
Het ontwerp van atoomklokken wordt voortdurend verbeterd, er is bijvoorbeeld een mechanisme uitgevonden dat elke paar honderd miljard jaar een seconde achterloopt.
Zonder atoomklok is er geen navigatie op aarde en in de ruimte
De atoomklok is vooral nodig voor navigatie:GLONASS en GPS, aangezien deze systemen de tijd bepalen waarop een signaal van een punt op aarde naar een satelliet en terug moet reizen. Een horloge wordt gebruikt om de afstand tussen objecten te meten op basis van hoe lang het duurt voordat een signaal van punt A naar punt B gaat.
Momenteel maakt navigatie gebruik van atoomklokken op aarde ter grootte van een koelkast om de locatie van een ruimtevaartuig te bepalen.
Het kan meer dan een uur duren voordat het signaal het ruimtevaartuig bereikt en terugkeert naar de aarde.
Uit deze gegevens worden coördinaten en instructies berekend: deze worden teruggestuurd naar het ruimtevaartuig.
Als het ruimtevaartuig een eigen klok aan boord heeft, kan het zijn eigen traject berekenen. Hiermee kun je verder reizen en mensen veilig naar andere planeten vervoeren.
Ontdek de afstand tussen planeten met behulp van atoomklokken
Maar de belangrijkste klant van atoomklokken zijn astronomen. Ze gebruiken atoomklokken om grote afstanden in de ruimte te meten en te bepalen hoe ver we verwijderd zijn van een bepaalde planeet of asteroïde.
Om dit te doen, sturen ze een signaal en stellen ze het tijdstip van terugkeer vast. Als de fout zelfs maar een seconde is, kunt u ongeveer driehonderdduizend kilometer nauwkeurigheid verliezen.
Hoe een atoomklok je kan helpen donkere materie te vinden
Donkere materie kan ons beïnvloedengewone zaak en dit moet consequenties hebben. Een daarvan kan een verandering in de fijne structuurconstante zijn, een van de fundamentele fysieke constanten.
De fijne structuurconstante is de verhouding tussen de rotatiesnelheid van het elektron in de eerste orbitaal en de lichtsnelheid, en bedraagt ongeveer 0,007.
Wetenschappers geloofden eerder dat deze constante altijd gelijk is aan dezelfde waarde, maar zoals recente ontdekkingen hebben aangetoond, kan deze enigszins variëren.
Volgens één theorie is donkere materie een topologisch defect in de ruimte dat ontstond tijdens de oerknal. Ze kunnen de constante beïnvloeden.
Wetenschappers hebben dus verschillende atoomklokken gebruiktHoe topologiedefecten zouden moeten inwerken op verre objecten in de ruimte, moet anders werken op verschillende klokken die in de ruimte gescheiden zijn.
Om de nauwkeurigheid te verbeteren, hebben de auteurscombineerde klokken om de nauwkeurigheid te verbeteren in een netwerk van vier apparaten, elk gevestigd in een van de landen: Polen, de VS, Japan en Frankrijk. Gegevens van alle apparaten worden gecombineerd om topologische effecten te analyseren.
Ultra-precieze atoomklok zal de vervorming van ruimte-tijd kunnen meten
Wetenschappers zijn ervan overtuigd dat een voldoende nauwkeurige atoomklok kan dienen als hulpmiddel om te meten hoe objecten, als gevolg van de zwaartekracht, de omringende ruimte vervormen.
Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology in Boulder gebruikten lasers en creëerden een geïmproviseerde val voor atomen: het leek op een aantal hele kleine kopjes.
Duizenden ytterbiumatomen vullen deze kopjes wanneer ze worden blootgesteld aan een laserstraal met de juiste frequentie, en elektronen in een baan om de aarde maken een overgang naar één energieniveau.
In zo'n systeem zullen elektronen meer doenquadriljoen overgangen. Zodra de laser is afgestemd op de "ideale" frequentie, begint de vertaling van informatie van de frequentie van de laserstraling in een signaal dat kan worden ontvangen en gedecodeerd door een elektronisch apparaat, dat wil zeggen de klok zelf.
Wetenschappers waren in staat om de laser zo af te stemmen dat de verkregen gegevens nu zullen helpen het effect van de zwaartekracht op de ruimtetijd zelf te bepalen.
Atoomklokken zijn een belangrijk meetinstrumentzo’n kortstondige grootheid als tijd. Zonder dit zal het niet mogelijk zijn om de kleinste veranderingen in de aardse tijd te volgen of de afstand tot naburige planeten en sterrenstelsels te meten.
En in de toekomst zullen atoomklokken onmisbaar worden voor de kolonisatie van planeten en de studie van donkere materie.
Maar het is onwaarschijnlijk dat ze ooit een huishoudgadget zullen worden.
Lees verder:
De aarde begon sneller te draaien: waarom gebeurt dit en is er gevaar?
De afstammelingen van de overlevenden van een mogelijke asteroïde val van dieren leven nog steeds op aarde
Natuurkundigen hebben atomen afgekoeld tot de laagste temperatuur ter wereld