การจับเวลากำลังใกล้จะถึงการก้าวกระโดดครั้งใหญ่อย่างแม่นยำ นี่คือเหตุผล

เวลามีความสำคัญต่อการทำงานของชีวิตประจำวันของเรา: จากนาฬิกาบนข้อมือของเราไปจนถึงระบบ GPS ในโทรศัพท์ของเรา

ระบบการสื่อสารกริดพลังงานและธุรกรรมทางการเงินทั้งหมดพึ่งพาในช่วงเวลาที่แม่นยำ วินาทีเป็นหน่วยสำคัญของการวัดในการจับเวลา

น่าประหลาดใจที่ยังคงมีการถกเถียงกันเรื่องคำจำกัดความของวินาทีแต่ความก้าวหน้าล่าสุดในรูปแบบการจับเวลาที่แม่นยำที่สุดในโลกอาจเปลี่ยนเกม

การจับเวลาที่แม่นยำนั้นเป็นส่วนหนึ่งของวิวัฒนาการทางสังคมของมนุษยชาติเสมอ ที่อนุสาวรีย์ยุคหินใหม่Newgrange ในไอร์แลนด์การเปิดพิเศษด้านบนทางเข้าช่วยให้แสงแดดส่องแสงและห้องในวันที่สั้นที่สุดของปีประมาณ 21 ธันวาคมฤดูหนาว Solstice

การจับเวลาเป็นสิ่งสำคัญสำหรับคนยุคหินที่สร้างนิวกเรนจ์ในไอร์แลนด์ -TJP bin/CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons-

ประมาณ 2,300 ปีที่แล้วอริสโตเติลกล่าวว่า "การปฏิวัติของทรงกลมด้านนอกสุดของสวรรค์" ควรเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการวัดเวลา นักปรัชญาชาวกรีกเชื่อว่าจักรวาลถูกจัดเรียงเป็นทรงกลมศูนย์กลางโดยมีโลกอยู่ตรงกลาง

นาฬิกาน้ำซึ่งปรากฏขึ้นประมาณ 2,000 ปีก่อนคริสตศักราชเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่เก่าแก่ที่สุดสำหรับการวัดเวลา พวกเขาทำสิ่งนี้โดยควบคุมการไหลของน้ำเข้าไปในหรือออกจากเรือ นาฬิกาเครื่องจักรกลถูกสร้างขึ้นในช่วงปลายศตวรรษที่ 13

จนถึงปี 1967 ที่สองถูกกำหนดเป็น 1/86,400 ของวันโดยยี่สิบสี่ชั่วโมงต่อวันหกสิบนาทีในหนึ่งชั่วโมงและ 60 วินาทีในหนึ่งนาที (24 x 60 x 60 = 86,400)

ที่ระบบระหว่างประเทศของหน่วยจากนั้นเปลี่ยนสิ่งต่างๆคำจำกัดความนี้-

ครั้งที่สอง…ถูกกำหนดโดยการใช้…ความถี่ในการเปลี่ยนผ่านของอะตอมซีเซียม 133 เป็น 9,192,631,770 เมื่อแสดงในหน่วย Hz ซึ่งเท่ากับS⁻

หากคุณสับสนให้ฉันอธิบายอย่างละเอียด แกนกลางของคำจำกัดความนี้เป็นสิ่งที่เรียกว่าความถี่ในการเปลี่ยนผ่าน การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนในอะตอมดูดซับพลังงานและย้ายไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้นกลับสู่สภาวะที่ผ่อนคลายหลังจากเวลา

มันเหมือนกับการดื่มสักถ้วย: ทันใดนั้นคุณมีพลังงานมากขึ้นจนกระทั่งสึกหรอ ความถี่คือจำนวนครั้งที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่กำหนด

ในทุกเห็บของวินาทีการเปลี่ยนแปลงเฉพาะของอิเล็กตรอนของซีเซียม 133 เกิดขึ้น 9,192,631,770 ครั้ง สิ่งนี้ได้กลายเป็นปทัฏฐานของเวลาวัด จนถึงปัจจุบันซีเซียมให้คำจำกัดความที่แม่นยำที่สุดของวินาที แต่สามารถปรับปรุงได้โดยใช้ความถี่ที่สูงขึ้น

ยิ่งความถี่ในการเปลี่ยนสูงเท่าใดการเข้าใจผิดเพียงครั้งเดียวก็น้อยลง หากมีการเปลี่ยนแปลงห้าสิบต่อวินาทีค่าใช้จ่ายในแง่ของความถูกต้องของความผิดพลาดหนึ่งจะรุนแรงกว่าหนึ่งร้อยเท่ามากกว่าที่มี 5,000

มีข้อ จำกัด สองประการในการลดข้อผิดพลาดนี้: ความท้าทายทางเทคโนโลยีของการวัดความถี่โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อ จำกัด ที่สูงขึ้น และความจำเป็นในการค้นหาระบบ-อะตอมซีเซียม -133 เป็นครั้งที่สอง-ด้วยการเปลี่ยนแปลงความถี่สูงที่วัดได้

เพื่อวัดความถี่ที่ไม่รู้จักนักวิทยาศาสตร์ใช้สัญญาณความถี่ที่รู้จัก - การอ้างอิง - และรวมเข้ากับความถี่ที่พวกเขาต้องการวัด ความแตกต่างระหว่างพวกเขาจะเป็นสัญญาณใหม่ที่มีความถี่เล็ก ๆ ที่ง่ายต่อการวัด: ความถี่การเต้น

NIST-F4 นาฬิกาอะตอมน้ำพุซีเซียมที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา -A. Novick/Nist-

นาฬิกาอะตอมใช้เทคนิคนี้เพื่อวัดความถี่ในการเปลี่ยนผ่านของอะตอมดังนั้นพวกเขาจึงกลายเป็นมาตรฐานสำหรับการกำหนดวินาที เพื่อให้บรรลุความแม่นยำดังกล่าวนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีสัญญาณอ้างอิงที่เชื่อถือได้ซึ่งพวกเขาได้รับสิ่งที่เรียกว่าหวีความถี่

หวีความถี่ใช้เลเซอร์, ลำแสงในพัลส์เป็นระยะ ๆ คานเหล่านี้มีคลื่นแสงที่แตกต่างกันมากมายซึ่งความถี่มีระยะห่างเท่ากันเช่นฟันของหวี - ดังนั้นชื่อ

ในนาฬิกาอะตอมจะใช้หวีความถี่เพื่อถ่ายโอนพลังงานไปยังอะตอมหลายล้านตัวพร้อมกันโดยหวังว่าฟันของหวีจะเอาชนะด้วยความถี่ในการเปลี่ยนผ่านของอะตอม

หวีความถี่ที่มีฟันจำนวนมากผอมและในช่วงความถี่ที่เหมาะสมจะเพิ่มโอกาสที่จะเกิดขึ้น พวกเขาจึงเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุการวัดความแม่นยำสูงของสัญญาณอ้างอิง

จากอะตอมไปจนถึงนาฬิกานิวเคลียร์

ดังที่เราได้เห็นครั้งที่สองถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนอิเล็กตรอนในอะตอมซีเซียม การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นด้วยความถี่ที่ต่ำกว่านั้นง่ายต่อการวัด แต่สิ่งที่เกิดขึ้นที่ความถี่ที่สูงขึ้นช่วยเพิ่มความแม่นยำของการวัด

การเปลี่ยนซีเซียมเกิดขึ้นที่ความถี่เดียวกันกับสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นไมโครเวฟ ความถี่ไมโครเวฟเหล่านี้ต่ำกว่าแสงที่มองเห็นได้

แต่ในเดือนกันยายน 2564นักวิทยาศาสตร์ทำการวัดโดยใช้องค์ประกอบ Strontium ซึ่งความถี่ในการเปลี่ยนผ่านสูงกว่าซีเซียมและตกอยู่ในช่วงของแสงที่มองเห็นได้ สิ่งนี้เปิดโอกาสให้กำหนดครั้งที่สองอีกครั้งภายในปี 2573

ในเดือนกันยายน 2567 นักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯสร้างความก้าวหน้าที่สำคัญสู่การสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ - ก้าวข้ามนาฬิกาอะตอม ตรงกันข้ามกับนาฬิกาอะตอมการเปลี่ยนแปลงที่วัดโดยอุปกรณ์ใหม่นี้เกิดขึ้นในนิวเคลียสหรือแกนกลางของอะตอม (ดังนั้นชื่อ) ซึ่งให้ความถี่ที่สูงขึ้น

อุปกรณ์ในการวัดพลังงานที่จำเป็นในการกระตุ้นนิวเคลียสทอเรียม 229 ซึ่งเป็นแกนหลักของนาฬิกานิวเคลียร์ในอนาคต -Chuankun Zhang/Jila-

Thorium-229, อะตอมที่ใช้สำหรับการศึกษานี้นำเสนอการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียร์ที่สามารถตื่นเต้นได้ด้วยแสงอัลตราไวโอเลต ทีมที่ทำงานเกี่ยวกับนาฬิกานิวเคลียร์เอาชนะความท้าทายทางเทคโนโลยีของการสร้างหวีความถี่ที่ทำงานในช่วงความถี่ที่ค่อนข้างสูงของแสงอัลตราไวโอเลต

นี่เป็นก้าวสำคัญเนื่องจากการเปลี่ยนนิวเคลียร์มักจะปรากฏให้เห็นที่ความถี่ที่สูงขึ้นมากเช่นการแผ่รังสีแกมม่า แต่เรายังไม่สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงในช่วงแกมมาได้อย่างถูกต้อง

การเปลี่ยนทอเรียมอะตอมมีความถี่สูงกว่าซีเซียมอะตอมประมาณหนึ่งล้านเท่า ซึ่งหมายความว่าแม้ว่ามันจะถูกวัดด้วยความแม่นยำต่ำกว่านาฬิกา Strontium ที่ทันสมัยในปัจจุบัน แต่ก็สัญญาว่าจะมีนาฬิการุ่นใหม่ที่มีคำจำกัดความที่แม่นยำมากขึ้นของวินาที

การวัดเวลาไปยังทศนิยมที่สิบเก้าตามที่นาฬิกานิวเคลียร์สามารถทำได้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษากระบวนการที่รวดเร็วมาก ลองนึกถึงนักวิ่งสองคนที่ผูกติดอยู่กับภาพ หากนาฬิกาจับเวลาของผู้ตัดสินมีตัวเลขพิเศษสองสามตัวพวกเขาจะสามารถระบุผู้ชนะได้

ในทำนองเดียวกันใช้เพื่อศึกษากระบวนการความเร็วสูงที่อาจนำไปสู่การทับซ้อนกับกลศาสตร์ควอนตัม นาฬิกานิวเคลียร์จะทำให้เรามีเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับการพิสูจน์ทฤษฎีเหล่านี้

ในระดับเทคโนโลยีระบบการวางตำแหน่งที่แม่นยำเช่น GPS จะขึ้นอยู่กับการคำนวณที่ซับซ้อนซึ่งต้องใช้การวัดที่ดีของเวลาที่ต้องใช้โดยสัญญาณเพื่อกระโดดจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังดาวเทียมและไปยังอุปกรณ์อื่น

คำจำกัดความที่ดีกว่าของวินาทีจะแปลเป็น GPS ที่แม่นยำยิ่งขึ้น เวลาอาจจะขึ้นสำหรับซีเซียมที่สอง แต่โลกใหม่ทั้งหมดรออยู่เหนือมัน

รั้ว Vittorioผู้ร่วมงานวิจัยภาควิชาฟิสิกส์King's College London

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ซ้ำจากบทสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-

จากอะตอมไปจนถึงนาฬิกานิวเคลียร์

相關貼文