Як атомний годинник вимірюють час
У конструкції атомного годинника є кварцовий кристал: він стискається і
Щоб зрозуміти, як це працює, треба згадатибудова атома. У центрі є ядро, яке позитивно заряджене: навколо знаходяться заряджені негативно електрони, кожен на своїй орбіті. При цьому кожен із них знаходиться на конкретному енергетичному рівні, тобто має ту чи іншу кількість енергії за рахунок тяжіння до ядра.
Цей рівень можна змінити, якщо послатиелектрону більшу кількість енергії, для цього можна, наприклад, нагріти атом. Потім електрон знову повернеться на свій рівень і віддасть надлишки у вигляді випромінювання. Ось на цьому випромінюванні все і побудовано: воно має певну частоту і нагадує маятник в годиннику.
Сьогодні атомний годинник можуть працювати на атомах заліза, стронцію, водню: принцип від цього не змінюється.
Конструкцію атомного годинника постійно покращують, наприклад, був винайдений механізм, який відстає на одну секунду раз в кілька сотень мільярдів років.
Без атомних годин не буде навігації на Землі і в космосі
Атомний годинник потрібні в першу для навігації:ГЛОНАСС і GPS, так як ці системи визначають відстань за часом, за яке сигнал проходить від точки на Землі до супутника і назад. Годинники використовують для вимірювання відстані між об'єктами виходячи з вимірів, скільки часу потрібно сигналу для переміщення з точки A в точку Б.
В даний час для навігації, щоб точно визначити місце розташування космічного корабля, використовується атомний годинник на Землі розміром з холодильник.
Може пройти більше години, поки сигнал дійде до корабля і повернеться на Землю.
За цими даними обчислюються координати та інструкції: їх відправляють назад на космічний корабель.
Якщо на борту космічного корабля будуть власні годинник, то він зможе сам розраховувати свою траєкторію. Це дозволить подорожувати далі і безпечно транспортувати людей на інші планети.
Дізнатися відстань між планетами за допомогою атомного годинника
Але основний замовник атомного годинника — астрономи. Вони використовують атомний годинник, щоб вимірювати величезні відстані в космосі і визначати, скільки нас відокремлює від певної планети чи астероїда.
Для цього вони посилають сигнал і фіксують час його повернення. Якщо похибка буде хоч на секунду, то можна втратити приблизно триста тисяч кілометрів на точності.
Як атомний годинник допоможуть знайти темну матерію
Темна матерія може впливати на нашузвичайну матерію і цього мають бути наслідки. Одним із них може бути зміна постійної тонкої структури, однієї з фундаментальних фізичних констант.
Постійна тонкою структурою - це відношення швидкості обертання електрона на першій орбіталі до швидкості світла, і вона дорівнює приблизно 0,007.
Вчені раніше вважали, що ця константа завжди дорівнює одній і тій же величині, але, як показали недавні відкриття, вона може незначно змінюватися.
За однією з теорій темна матерія — це топологічні дефекти простору, що виникли під час Великого вибуху. Вони можуть вплинути на постійну.
Вчені використали кілька атомних годин, такяк дефекти топології повинні діяти на віддалені предмети у просторі по-різному мають діяти різні години, рознесені у просторі.
Для того, щоб підвищити точність, авториоб'єднали годинник для підвищення точності в мережу з чотирьох пристроїв, кожне знаходилося в одній із країн: у Польщі, США, Японії та Франції. Дані всіх пристроїв зводяться разом, щоб аналізувати топологічні ефекти.
Надточний атомний годинник зможуть виміряти спотворення простору-часу
Вчені впевнені, що досить точні атомні годинники можуть служити інструментом, що вимірює, як об'єкти за рахунок гравітації спотворюють навколишній простір.
Фізики з Національного інституту стандартів та технологій у Боулдері використовували лазери та створили імпровізовану пастку для атомів: вона виглядала як кілька дуже маленьких чашок.
Тисячі атомів ітербію заповнюють ці чашки, якщо впливати на них лазерним променем правильної частоти, а електрони на орбіті здійснять перехід на один енергетичний рівень.
У такій системі електрони будуть робити більшеквадрильйона переходів. Як тільки лазер налаштований на «ідеальну» частоту, починається переклад інформації з частоти лазерного випромінювання в сигнал, який може прийняти і розшифрувати електронний пристрій, тобто ті самі години.
Вчені змогли налаштувати лазер так, що тепер отримані дані допоможуть визначити вплив гравітації на сам простір-час.
Атомний годинник - це важливий інструмент вимірюваннятакої ефемерної величини як час. Без нього не вдасться відстежити найменші зміни у земному часі чи виміряти відстань до сусідніх планет та галактик.
А в майбутньому атомний годинник стануть незамінні при колонізації планет і вивченні темної матерії.
Але навряд чи коли-небудь вони стануть побутовим гаджетом.
Читати далі:
Земля різко почала обертатися швидше: чому це відбувається і чи є небезпека
Нащадки тих, хто вижив після можливого падіння астероїда тварин все ще живуть на Землі
Фізики охолодили атоми до найнижчої в світі температури