Hur en atomklocka mäter tid
Designen av atomklockor innehåller en kvartskristall: den drar ihop sig och
För att förstå hur detta fungerar måste du komma ihågatomens struktur. I mitten finns en kärna som är positivt laddad: runt omkring finns negativt laddade elektroner, var och en i sin egen bana. Dessutom är var och en av dem på en specifik energinivå, det vill säga den har en viss mängd energi på grund av attraktion till kärnan.
Denna nivå kan ändras genom att skickamer energi till elektronen, för detta kan man till exempel värma atomen. Då kommer elektronen att återgå till sin nivå igen och ge upp överskottet i form av strålning. Allt bygger på denna strålning: den har en viss frekvens och liknar en pendel i en klocka.
Idag kan atomur arbeta på atomer av rubidium, strontium, väte: principen ändras inte från detta.
Atomklockornas design förbättras ständigt, till exempel uppfanns en mekanism som släpar efter med en sekund var flera hundra miljarder år.
Utan en atomklocka kommer det inte att finnas någon navigering på jorden och i rymden
Atomklockan behövs främst för navigering:GLONASS och GPS, eftersom dessa system bestämmer avståndet i tid för en signal att färdas från en punkt på jorden till en satellit och tillbaka. En klocka används för att mäta avståndet mellan objekt baserat på hur lång tid det tar för en signal att färdas från punkt A till punkt B.
Navigation använder för närvarande atomklockor i kylskåpsstorlek på jorden för att lokalisera en rymdfarkost.
Det kan ta mer än en timme för signalen att nå rymdfarkosten och återvända till jorden.
Från dessa data beräknas koordinater och instruktioner: de skickas tillbaka till rymdfarkosten.
Om rymdfarkosten har en egen klocka ombord kommer den att kunna beräkna sin egen bana. Detta gör att du kan resa längre och säkert transportera människor till andra planeter.
Ta reda på avståndet mellan planeterna med hjälp av atomur
Men den främsta kunden av atomur är astronomer. De använder atomklockor för att mäta stora avstånd i rymden och bestämma hur långt bort vi är från en viss planet eller asteroid.
För att göra detta skickar de en signal och fixar tidpunkten för dess återkomst. Om felet är jämnt för en sekund kan du förlora ungefär trehundratusen kilometer i noggrannhet.
Hur atomklockor kan hjälpa till att hitta mörk materia
Mörk materia kan påverka vårvanlig materia och det måste få konsekvenser. En av dem kan vara en förändring i finstrukturkonstanten, en av de grundläggande fysiska konstanterna.
Finstrukturkonstanten är förhållandet mellan rotationshastigheten för elektronen i den första omloppsbanan och ljusets hastighet, och den är ungefär 0,007.
Forskare trodde tidigare att denna konstant alltid är lika med samma värde, men som nya upptäckter har visat kan den variera något.
Enligt en teori är mörk materia topologiska defekter i rymden som uppstod under Big Bang. De kan påverka konstanten.
Forskare har använt flera atomur, såHur topologidefekter ska agera på avlägsna objekt i rymden måste agera olika på olika klockor separerade i rymden.
För att förbättra noggrannheten, författarnakombinerade klockor för att förbättra noggrannheten i ett nätverk av fyra enheter, var och en placerad i ett av länderna: Polen, USA, Japan och Frankrike. Data från alla enheter kombineras för att analysera topologiska effekter.
Ultraexakta atomklockor kommer att kunna mäta förvrängningen av rum-tid
Forskare är övertygade om att en tillräckligt exakt atomklocka kan fungera som ett verktyg som mäter hur föremål förvränger det omgivande utrymmet på grund av gravitationen.
Fysiker vid National Institute of Standards and Technology i Boulder använde lasrar och skapade en provisorisk fälla för atomer: den såg ut som flera mycket små koppar.
Tusentals ytterbiumatomer fyller dessa koppar när de utsätts för en laserstråle med rätt frekvens, och elektronerna i omloppsbana kommer att göra en övergång till en energinivå.
I ett sådant system kommer elektroner att göra merkvadriljoner övergångar. Så snart lasern är inställd på den "ideala" frekvensen, börjar informationen att översättas från laserstrålningsfrekvensen till en signal som kan tas emot och avkodas av en elektronisk enhet, det vill säga själva klockan.
Forskare har kunnat ställa in lasern så att nu erhållna data kommer att hjälpa till att bestämma gravitationens inverkan på själva rumtiden.
Atomklockor är ett viktigt mätverktygen så flyktig mängd som tid. Utan det kommer det inte att vara möjligt att spåra de minsta förändringar i jordens tid eller mäta avståndet till närliggande planeter och galaxer.
Och i framtiden kommer atomklockor att bli oumbärliga för koloniseringen av planeter och studiet av mörk materia.
Men det är osannolikt att de någonsin kommer att bli en hushållspryl.
Läs mer:
Jorden började snurra snabbare: varför händer detta och finns det en fara?
Ättlingar till de överlevande från ett eventuellt asteroidfall av djur lever fortfarande på jorden
Fysiker har kylt atomer till den lägsta temperaturen i världen