Atomklokker: hva de er og hvordan de synkroniserer tiden på enhetene dine

Det kan virke som magi at mobiltelefonen, bilens GPS og internettserverne viser nøyaktig samme tid over hele verden, men bak denne tilsynelatende enkelheten ligger et globalt nettverk av vitenskap og enighet. Atomklokker støtter dette stillaset med en presisjon som trosser intuisjonen., og uten dem ville den moderne verden bokstavelig talt være ute av tid.

I et laboratorium sørvest i London finnes det svarte bokser på hjul med en veldig tydelig advarsel: «Ikke rør maser.» De er ikke farlige, men de er ekstremt følsomme; En liten endring kan føre til at klokken blir usynkronisert og føre til feil gjennom hele tidskjeden.Disse hydrogenmaserne, sammen med hundrevis av klokker spredt rundt om i planeten, driver tidsskalaen som styrer alt fra kommunikasjon til satellittnavigasjon.

Hva er en atomklokke, og hvorfor er den viktig?

En atomklokke er ikke en klokke av "spinnende atomer", men en enhet som bruker en atomfrekvens som referansependel. Nøkkelen er en ekstremt stabil periodisk prosess: en kvanteovergang i atomet.Når den overgangen undersøkes med stråling med riktig frekvens, reagerer atomet så konsekvent at det tillater måling av sekunder med svimlende feilmarginer.

Mønsteret som støtter nesten hele det globale systemet er cesium-133. Den offisielle definisjonen av sekundet siden 1967 fastsetter 9 192 631 770 svingninger av den hyperfine overgangen til grunntilstanden til cesium.Med andre ord, vi teller disse atomflåttene, og hver eksakte gruppe av dem definerer et sekund identisk med det før det i et hvilket som helst laboratorium i verden.

Fra pendler til kvarts: nyttig for hverdagen, utilstrekkelig for den digitale tidsalderen

I århundrer tiden Den ble målt med himmelen som referanse og med mekaniske innretninger. En pendel og et tannhjul gjorde det mulig å koordinere fabrikker og tog, men mekanikken har sine begrensninger. og lider av temperatur, slitasje eller tyngdekraft.

Med elektronikken ble kvartskrystallen populær: en oscillator som vibrerer når den tilføres strøm. De er mye mer punktlige enn mekaniske, selv om de fortsatt avviker, til og med opptil mer enn et sekund per uke i nåværende enheter.Den er fin i hverdagen, men ikke for satellittposisjonering med centimeterpresisjon eller for å måle økonomiske transaksjoner ned til nanosekunder.

Hvordan en cesiumklokke fungerer: fra atomovn til pulser per sekund

I en cesium-atomklokke varmes en liten mengde av isotopen 133 opp for å frigjøre atomer, som beveger seg gjennom et vakuumrør. Magnetiske felt filtrerer ut de som ikke er i riktig energitilstand og bare slippe gjennom de som er av interesse for klokken.

Disse atomene passerer deretter gjennom et mikrobølgehulrom styrt av en fint kontrollert kvartsoscillator, innstilt rundt 9 192 631 770 hertz. Når frekvensen nøyaktig samsvarer med nivåavstanden til cesium, endrer en del av atomene tilstandEn detektor identifiserer hvor mange som har gjort overgangen; denne tellingen mates tilbake til oscillatoren for å låse den rett inn i midten av linjen og opprettholde frekvensen med utsøkt gjengivelse.

En siste elektronisk blokk deler dette stabile signalet inn i praktiske ettsekunds-tikk. Hele klokken er omgitt av miljøkontroll, skjerming og korreksjoner for å eliminere forstyrrelser. som for eksempel gjenværende elektriske og magnetiske felt eller temperaturendringer.

Hydrogenmasere: presisjonens svinghjul

Hydrogenmasere som brukes ved nasjonale sentre som NPL fungerer som kortsiktige ultrastabile referanser. De er ideelle som "tidsinertisvinghjul" fordi de har enestående umiddelbar stabilitet., selv om de må «styres» med jevne mellomrom slik at de ikke driver av gårde på lang sikt.

Denne «retningen» består i å anvende korreksjoner ved hjelp av primære cesiumklokker eller andre høyere referanser. Metrologer kaller dette finjusteringsstyring., viktig for å sikre at settet med lokale klokker ikke avviker fra det globale mønsteret over tid.

Fra lokal soltid til delt planettid

Før jernbanene levde hver by med sin egen solmiddag; I en by kan klokken være 12:00 og noen kilometer unna kan den være 12:15Denne uorden var akseptabel inntil industri og jernbaner krevde streng punktlighet, og ulykker viste at mangel på synkronisering kunne være dødelig: i New England, på midten av 1800-tallet, ble en dødelig frontkollisjon tilskrevet en "lånt" klokke som var ute av tid med sin motpart.

Greenwich-observatoriet ble tidens dommer i Storbritannia. Siden 1833 ble det sluppet en ball hver dag klokken 1 for å justere klokkene., og snart distribuerte telegrafen den jernbanetiden over hele landet. På 1880-tallet reiste signalet via en undersjøisk kabel til Harvard, noe som sementerte Greenwichs rolle som et internasjonalt referansepunkt.

Med radio populariserte BBC de karakteristiske "pips" for timen. I dag er det seks signaler, med tiden markert ved starten av det siste pipet.Digitalisering har lagt til en liten behandlingsforsinkelse, så internett- eller DAB-pips kan ankomme med en forsinkelse som gjør dem umulige å bruke som en nøyaktig referanse.

Fra GMT til UT og UTC: Jordens klokke er ikke perfekt

Sivil tid har gjennomgått mange vendinger. Først var det Greenwich-meridianen som ga GMT. I 1928 kom universell tid, basert på jordens rotasjon. Problemet er at jorden ikke roterer som en metronom: rotasjonen varierer på grunn av tidevann, geologi og til og med klima., fra millisekunder til tiår.

Med atomklokker dukket det opp en pragmatisk løsning: opprettholde en ensartet skala og, fra tid til annen, sett inn et skuddsekund slik at kalenderdagen ikke løsriver seg fra solenSlik ble UTC, Coordinated Universal Time, født, som tar TAI som basis og legger til disse justeringene når UT1 (astronomisk tid) krever det.

TAI og BIPMs rolle: hvordan verdenstid lages

Hvert nasjonalt laboratorium behandler sin samling av klokker (masere, cesium, forskningsoptikk) og sender målinger til Det internasjonale byrået for vekter og mål, som ligger i Paris. BIPM beregner et vektet gjennomsnitt, som gir mer vekt til de klokkene som yter best., og forbedrer gjennomsnittet for å få den internasjonale atomtiden, TAI.

Resultatet er en kontinuerlig, ensartet og usedvanlig stabil skala. UTC utledes fra TAI ved å bruke, der det er aktuelt, skuddsekunderDusinvis av laboratorier og hundrevis av klokker deltar i dette orkesteret: uten mennesker, prosedyrer og teknologi ville harmonien gå tapt.

Nådeløse apper: GPS, 5G, energi og finans

GPS måler avstander ved å multiplisere signalets reisetid med lysets hastighet. Ett nanosekund med feil tilsvarer omtrent 30 centimeter med posisjonsfeil., så synkronisering mellom satellitter og mottakere er avgjørende. Hver satellitt har atomklokker om bord og er kalibrert fra bakken.

Synkronisering på mikrosekund- eller nanosekundnivå ligger også til grunn for strømnett, datasentre, 5G-telekommunikasjonsforbindelser, finansmarkeder og flytrafikkontrollsystemer. Uten ekstremt presis felles tid blir det moderne nettverket ubalansert, og tap, kollisjoner eller integritetsfeil oppstår..

Hvordan tiden leveres til enhetene dine: radio, GPS og NTP

Du trenger ikke en atomklokke på skrivebordet for å holde atomtiden. Radiotidssignaler fra nasjonale laboratorier og fremfor alt GPS-signaler tillater synkronisering av konvensjonelle kvartsklokker. med bemerkelsesverdig nøyaktighet.

I databehandling brukes NTP, Network Time Protocol. En NTP-server tar tiden fra GPS eller en tidsstasjon og distribuerer den til datamaskinene på nettverket., minimere forsinkelser og korrigere avvik; hvis et team presenterer feil, finnes det metoder for å reparer dato og klokkeslett på systemer som macOS. På denne måten kan ethvert selskap operere ved UTC, identisk med resten av verden, uten å ha sitt eget cesium.

Optiske klokker: lette som en ny pendel

Cesiumklokker bruker mikrobølger på rundt 9,2 gigahertz. Hva om vi i stedet for mikrobølger brukte lys, med frekvenser hundretusenvis av ganger høyere? Optiske klokker utnytter ekstremt smale overganger i det synlige eller ultrafiolette lyset, noe som multipliserer den potensielle stabiliteten fordi «tikken» er mye raskere.

I praksis finnes det to ledende arkitekturer. Den ene fanger og kjøler ned et enkelt ion i en elektromagnetisk felle, med linjebredder på hertz eller mindre, og isolerer det fra nesten alt. Den andre begrenser skyer av millioner av nøytrale atomer i et optisk gitter, en lett kam som holder dem stille under avhør for å forhindre bevegelsesindusert bluss.

Trikset for å telle lette flått: femtosekundkammen

Det er umulig å telle optiske svingninger direkte med konvensjonell elektronikk. Femtosekundfrekvenskammen lager en mellomliggende skala av like store "tenner" som forbinder den optiske verden med mikrobølger.

En ultrakort pulslaser produserer denne serien med ujevnheter i linjer med jevne mellomrom; ved å stabilisere to parametere i kammen (repetisjonsfrekvens og forskyvning) mot et mønster, Vi kan måle eller dele en optisk referanse ned til tellbare frekvenserDenne oppfinnelsen, som ble tildelt en nobelpris, utløste revolusjonen innen optiske klokker ved å tillate dem å bli sammenlignet og utvide stabiliteten deres til det elektroniske domenet.

Stabilitet fra 10^−17 til 10^−18: utover cesium

Ledende team har demonstrert optiske klokker, for eksempel med ytterbium eller strontium, med ustabiliteter i størrelsesorden 10^−18. Det siteres ofte at de kan avvike med bare 1,6 sekunder i en billion på europeisk skala., en utrolig grad av nøyaktighet som for eksempel ville tillate å dateres universets alder til innenfor et sekund hvis de varte så lenge.

Dette nivået åpner vitenskapelige og teknologiske dører: fra relativistisk geodesi (kartlegging av gravitasjonspotensialet ved hjelp av frekvensforskjeller mellom klokker som er adskilt med noen få centimeter i høyden) opp til navigasjon med høy integritet eller nye tester av grunnleggende fysikk.

Relativitet i rommet: høyde og omgivelser teller

Den generelle relativitetsteorien sier at tyngdekraften påvirker tid. To klokker med bare 1 cm høyde fra hverandre har en relativ frekvensforskyvning i størrelsesorden 10^−18Derfor er det så viktig å kontrollere høyde over havet, gjenværende elektriske og magnetiske felt, og det termiske miljøet for de beste klokkene.

Moderne metrologi er i stor grad en øvelse i å systematisk identifisere og kompensere for enhver liten effekt. Skjerming, termisk stabilisering, ekstremt vakuum og krysskalibreringer mellom laboratorier er en del av den daglige rutinen for å «temme» listen over rettelser.

Skuddsekunder: hvorfor de finnes og hvordan man legger dem til

Hvis sivil tid kun fulgte TAI, ville dag og natt sakte komme ut av fase med jordens rotasjon. For å holde UTC nær astronomisk tid, settes det inn skuddsekunder når forskjellen med UT1 nærmer seg terskelen.Selv om de er sjeldne, kompliserer de datasystemer, og det er internasjonal debatt om deres fremtid.

Uansett avgjørelse forblir grunnlaget uendret: Tidsenheten er atomær, og justeringen med himmelen er en operativ avtale. slik at veggklokkene og solen forblir mer eller mindre synkroniserte.

Fra ammoniakk til cesium: en historie i milepæler

Den første slike enheten dukket opp i 1948 ved daværende NBS (nå NIST) ved bruk av ammoniakk. I 1955, på den britiske NPL, presenterte Louis Essen den første virkelig nøyaktige cesiumklokken., markerer et før og et etter.

Tolv år senere, i 1967, omdefinerte samfunnet det andre med cesium. Siden den gang har mikrobølgeklokker blitt bedre tiår etter tiår, med nøyaktigheter bedre enn 1 del i 10^15.Derfra tok optiske klokker over, som opererte ved mye høyere frekvenser og smalere overganger.

Kjernekraft: Det neste spranget med thorium-229

Hvis atomklokker ser på elektroner, ser atomklokker på kjernen. Spesielt isotopen thorium-229 har en uvanlig lavenergi kjerneovergangsfaktor. som gjør at den kan eksiteres med spesialiserte ultrafiolette lasere.

Team som det som ledes av Jun Ye, med bidrag fra forskere som Ana María Rey og europeiske grupper, har demonstrert den første funksjonelle prototypen basert på denne ideen. Kjerneoverganger er i prinsippet mindre følsomme for temperaturer og eksterne felt., slik at de kunne tilby enda mer robusthet enn tradisjonelle elektroniske referanser.

I tillegg til potensialet for ekstrem timing og bruksområder under tøffe forhold (for eksempel i verdensrommet), En atomklokke er et grunnleggende fysikkverktøykan hjelpe med å søke etter mørk materie eller verifisere om visse universelle konstanter virkelig forblir invariante over tid og sted.

UTC, TAI og tiden du ser på skjermen

Verdens tidsskala, koordinert av BIPM med bidrag fra laboratorier i dusinvis av land, er basert på hundrevis av atomklokker. Fra dette gjennomsnittet beregnes TAI, og etter å ha brukt mulige skuddsekunder beregnes UTCDet er tiden som går gjennom GPS, internett-backbones og NTP-servere før den lander på telefonen din, din router eller flyplassklokken.

Det er ingen tilfeldighet at mobiltelefonen din ringer likt i Madrid og Tokyo. Det er resultatet av et metrologisk, teknologisk og enighetsbasert økosystem som startet med baller som falt klokken 1 i Greenwich og i dag bruker femtosekundkammer., hydrogenmasere og ultrastabile lasere.

Klokketid er fremfor alt en delt konvensjon. Det er ikke «sann tid», men tiden vi har bestemt oss for å telle på den mest stabile, reproduserbare og nyttige måten som mulig.Og det fungerer: uten den avtalen ville tog krasjet igjen, nettverkene ville svikte, og den globale handelen ville bli kaotisk.

Selv om de tekniske detaljene er skremmende, er den grunnleggende ideen enkel og elegant: Vi velger en pendel som aldri blir sliten, vi måler den med utsøkt omhu, vi sammenligner den blant mange og vi deler den med alle.Fra jernpendler til elektroner, og derfra til kjernen; tidens historie er historien om hvordan vi lærte å bedre telle universets tikker.