ビッグバン以来、1秒も経たない新しい原子時計が構築されました

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物理学者は原子時計を非常に正確に開発しており、140億年で1秒未満しかずれません。そのような精度と精度は、単なる時計ではありません。これは、重力波を測定し、地球の重力形状を測定し、さらにはダークマターを検出できる強力な科学機器です。

彼らはそれをどのように行いましたか？

国立標準技術研究所の物理学者は、彼らの新しい原子時計は希土類元素イッテルビウムに基づいていると言います。彼らは、光学格子と呼ばれるレーザービームのグリッドを使用して、1000個のイッテルビウム原子をトラップします。原子は自然に2つのエネルギーレベルを切り替えることによって「刻み」ます。その動作は原子の電子遷移と呼ばれ、発生するのにナノ秒かかります。電子がカチカチ音をたてる、またはエネルギーレベルを変更するたびに、電子はマイクロ波エネルギーを放出します。 NISTの物理学者は、これらのイッテルビウム時計を2つ作り、それらを比較することで、記録を破るパフォーマンスを達成しました。

この記録を破るパフォーマンスは、次の3つの方法で測定されます。

系統的不確実性：これは、時計がイッテルビウム原子の自然振動をどれだけよく表しているかです。イッテルビウム時計は10億分の10分の1だけずれていました。
安定性：これは、指定された時間内にクロックの周波数がどれだけ変化するかです。この場合、彼らはイッテルビウム時計を測定し、それは1日で0.00000000000000000032）だけ変化しました。
再現性：これは、2つのイッテルビウムクロックが同じ周波数でどれだけ接近して動くかを測定します。クロックのペア間の10回の比較では、差は10億分の1未満でした。

「体系的な不確実性、安定性、再現性は、これらの時計のパフォーマンスの「ロイヤルフラッシュ」と見なすことができます」とプロジェクトリーダーのアンドリューラドローはプレスリリースで述べています。「この前例のないレベルでの2つの時計の一致は、再現性と呼ばれ、他の2つの結果を本質的に必要とし、実証するため、おそらく単一の最も重要な結果です。」

アインシュタインは、時間もあなたが対象とする重力によって異なって流れることを示しました。原子時計の原子のカチカチ音は、強い重力で観測すると遅くなります。山の頂上にたとえば、エベレストはマリアナ海溝の底よりも時間の移動が速くなります。それは、ここ地球では、重力が惑星の中心に集中しているからです。中心から離れるほど、重力は小さくなります。効果は大きくはなく、おそらく数百万分の1秒です。しかし、それはそこにあります。なんとなく直観に反するように見えますが、それがアインシュタインが示したものであり、彼は正しいことが証明されています。

この新しい原子時計の例外は、再現性が実証されているということです。これは、時計の誤差が、地球上の時間に対する重力の影響を検出する能力を下回っていることを意味します。

NISTの物理学者Andrew Ludlowは次のように説明しています。「…実証された再現性は、時計の総誤差が、地球上の時間に対する重力の影響を説明する一般的な能力を下回っていることを示しています。したがって、このような時計が国や世界中で使用されることを想定しているので、それらの相対的なパフォーマンスは、初めて、地球の重力の影響によって制限されます。」

物理学者は、精度が時間に対する重力の影響よりも大きい時計を手に入れたので、この時計を使用して地球の重力の形状を測定できると言います。地球の重力形状を測定する通常の方法は、潮汐を測定することです。世界中に設置されている潮汐計を使用していますが、精度は数センチ程度しかありません。新しい時計は、その精度を1センチ未満に下げることができます。

実際、これらのイッテルビウム時計は、地球の重力形状以外にも多くの測定に使用できます。それらは、時空自体を測定し、初期宇宙からの重力波を検出するために使用できます。彼らが暗黒物質を測定することさえできる可能性があります。この精度と精度のレベルでは、この機器は単なる時計ではありません。

イッテルビウム時計のような時計に影響を与えるのは重力だけではありません。その他の環境への影響により、デバイスの精度が損なわれる可能性があります。それらは冷却された状態に保たれる必要があり、浮遊電界から絶縁される必要があります。新しいクロックは、電気および熱の影響から保護されているため、それらを考慮して修正することができます。

電気シールドや熱シールドなどの改善により、物理学者は、他のクロックを測定および比較するために別のラボに輸送できるポータブルイッテルビウムクロックを構築しています。それらを他の場所に移動させて、相対論的測地技術を研究することもできます。現在、私たちの最高の原子時計はセシウム原子を使用して秒を定義する部屋サイズのいわゆる「噴水時計」であるため、これはゲームチェンジャーになります。

しかし、それはすべて新しい時計で変わる可能性があります。

以前の原子時計はセシウム元素に基づいており、現在まで利用可能な最も正確な計時を提供していました。セシウム原子の振動は、1960年代から国際単位系（ISU）での1秒の持続時間を定義するために使用されています。しかし、イッテルビウム時計の開発により、セシウムの時間は増えるかもしれません。

最初のセシウム時計は1955年に製造され、それ以来、ゴールドスタンダードとなっています。 2番目の公式定義は、興味があれば1967年から使用されています。「2番目は、地上の2つの超微細レベル間の遷移に対応する放射線の9 192 631 770周期の期間ですセシウム133原子の状態。」その後、1997年に、セシウムが0ケルビンでなければならないことを明らかにしました。

他の原子時計は、ポータブルにすることができるルビジウムを使用して構築されています。セシウムほど正確ではありませんが、GPS、携帯電話基地局などのアプリケーション、およびテレビ局の周波数の制御には十分です。しかし、イッテルビウム原子を使用した新しい原子時計の開発により、前例のない科学的な精度と移植性という、両方の世界で最高のものを手に入れることができます。

新しいイッテルビウム原子時計は、1秒の持続時間の定義を再定義する有力な候補です。これは、国際単位系で定義された精度のしきい値を満たしているためです。その機関は、新しい定義には、秒を定義するために現在使用されているセシウムクロックよりも検証された精度を100倍向上させる必要があると述べています。

以前は地球の自転によって時間を定義していましたが、それ以来長い道のりを歩んできました。希土類元素のチックレートを使用して地球の重力形状、初期宇宙からの重力波、さらにはダークマターさえも、スティックを刺したときに歴史的な人間が想像できなかったものである原子時計太陽文字盤を作るための地面。