Vergeten Element Kan De Tijd Opnieuw Definiëren

{h1}

Lutetium, een zeldzaam element dat vergeten is op de bodem van het periodiek systeem, zou de sleutel kunnen zijn tot nog nauwkeurigere klokken.

Er kan veel in een seconde gebeuren; je kunt een vreemdeling ontmoeten, je vingers happen, verliefd worden, in slaap vallen, niezen. Maar wat is een seconde, echt - en is het zo precies als we denken dat het is?

Op dit moment hebben de meest precieze klokken die worden gebruikt om de wereldtijd te voorspellen een fout van ongeveer 1 seconde om de 300 miljoen jaar - dus een klok die begon te tikken in de tijd van de dinosaurussen zou vandaag nog geen seconde uitgeschakeld zijn. Maar wetenschappers denken dat we het beter kunnen doen. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

Dus kijken ze naar lutetium, een verwaarloosd element uit de zeldzame aarde dat stof heeft verzameld aan het einde van het periodiek systeem, volgens een nieuwe studie die op 25 april gepubliceerd werd in het tijdschrift Nature Communications.

Waarom is een seconde 1 seconde lang?

Vroeger werd een seconde gedefinieerd als een fractie (1/86400) van de gemiddelde zonnedag, de 24-uursrotatie van de aarde rond zijn as. Maar de rotatie van de aarde kan enigszins variëren, dus wetenschappers besloten om te stoppen met het scannen van de hemelen om onze klokken te kalibreren en dingen op grote schaal te schalen - naar het niveau van atomen, de onzichtbare bouwstenen van materie.

In 1967 definieerde het Internationale Comite voor gewichten en metingen de tweede als de hoeveelheid tijd die een cesiumatoom nodig heeft om genoeg energie te absorberen om te worden opgewonden - dat wil zeggen, omdat de elektronen van de ene energietoestand naar de volgende springen. Om dit te laten gebeuren, moet het atoom gepulseerd worden met exact 9.192.631.770 cycli microgolfstraling.

Onderzoekers John P. Lowe, Robert E. Drullinger en projectleider David J. Glaze (van links naar rechts) staan ​​naast een cesium-atoomklok die ze ontwikkelden, genaamd NIST-7. Deze klok, gehuisvest in het National Institute of Standards and Technology, was verantwoordelijk voor het bijhouden van de tijd in de VS van 1993 tot 1999, maar is sindsdien vervangen door nauwkeurigere cesiumklokken.

Onderzoekers John P. Lowe, Robert E. Drullinger en projectleider David J. Glaze (van links naar rechts) staan ​​naast een cesium-atoomklok die ze ontwikkelden, genaamd NIST-7. Deze klok, gehuisvest in het National Institute of Standards and Technology, was verantwoordelijk voor het bijhouden van de tijd in de VS van 1993 tot 1999, maar is sindsdien vervangen door nauwkeurigere cesiumklokken.

Krediet: nationaal instituut voor normen en technologie

Hoewel dat aantal willekeurig lijkt, komt het van het meten van de frequentie van microgolven die nodig zijn om de cesiumatomen te exciteren in het gemiddelde van de eerdere definitie van 1 seconde. Deze metingen werden over een periode van bijna drie jaar uitgevoerd, meldde Scientific American.

Momenteel zijn honderden cesium-atoomklokken verantwoordelijk voor het behoud van de wereldtijd en de controle van GPS-navigatie. Maar in het afgelopen decennium is er een nieuwe generatie atoomklokken ontstaan, "optische klokken" genaamd, en ze zijn 100 keer nauwkeuriger dan de cesiumvariëteit. De nieuwe klokken werken op precies dezelfde manier als de cesiumsoorten, behalve dat ze atomen gebruiken zoals aluminium of ytterbium die worden opgewekt door hogere frequenties van zichtbaar licht (vandaar de naam "optisch") in plaats van de langzamere microgolven. Deze hogere frequentie voegt meer gegevenspunten toe aan de definitie van een "tweede", waardoor de meting nauwkeuriger wordt. [7 vreemde feiten over quarks]

Om dit te begrijpen, stel je de verschillende soorten klokken voor als een paar heersers, zei Murray Barrett, een hoogleraar natuurkunde aan de National University of Singapore en de hoofdauteur van de nieuwe studie. Als de oudere "cesium" -liniaal een lijn meet van 20 centimeter (7,9 inch) lang, kan de meer nauwkeurige, "optische" liniaal de lijn ook meten, bijvoorbeeld 200 millimeter.

Hoewel optische klokken zeer precies zijn, kan het voor hen erg lastig zijn om ze een hele lange tijd te laten werken en stabiel te blijven in hun omgeving, zei Barrett. De temperatuur van een kamer kan de elektromagnetische velden die op de atomen inwerken veranderen, wat op zijn beurt de tijdmeting kan scheeftrekken, zei Barrett. Dus de cesiumklokken zijn nog steeds "veel betrouwbaarder in hun implementatie dan [de nieuwe] optische klokken," vertelde Barrett WordsSideKick.com.

Het maken van minder gevoelige atoomklokken

In hun nieuwe onderzoek ontdekten Barrett en zijn team dat een lutetiumion minder gevoelig is voor veranderingen in de omgevingstemperatuur dan andere elementen die worden gebruikt voor optische klokken, waardoor het een sterke kandidaat is om als meester-tijdbewaarder te dienen.

Lutetium-atomen kunnen ook helpen compenseren voor een ander probleem dat van invloed is op tijdmeting, vond het team. Omdat de atomen die in deze klokken worden gebruikt, worden opgeladen, bewegen ze een beetje heen en weer als reactie op de elektromagnetische velden die door de golven worden gecreëerd (zichtbaar licht, microgolven, enz.) - en dit kan de tijdmeting scheeftrekken. Wetenschappers noemen deze snelle achterwaartse en voorwaartse beweging een "micromotion shift".

Omdat wetenschappers deze verschuiving moeten compenseren, is het echt moeilijk om atoomklokken met meer dan één ion te ontwikkelen - wat zulke klokken praktischer zou maken, zei Barrett. Maar het team ontdekte dat ze een natuurlijke eigenschap in een bepaald type lutetiumion konden gebruiken om deze 'microbewegingsverschuivingen' teniet te doen.

Dit kost echter een prijs: die atomen werden gevoeliger voor de temperatuur van de kamer. Die wisselwerking zou de impact van de nieuwe bevinding kunnen beperken, en het atoomlutetium is misschien geen "echte game-wisselaar", zei Jérôme Lodewyck, een fysicus van het Observatorium van Parijs die geen deel uitmaakte van het onderzoek.

Maar dit "kwalitatief hoogwaardige werk" voegt een andere mogelijke atoomsoort toe aan de lange lijst van tijdwaarnemerkandidaten, dat is een "rijkdom voor metrologen" die verschillende klokken willen vergelijken, zei Lodewyck. [Wat is dat? Je fysica vragen beantwoord]

Voorbij het vertellen van tijd

Hoewel Barrett zei dat lutetium "veelbelovend is", denkt hij niet dat het een grote kick is om de tweede te herdefiniëren met behulp van optische klokken, omdat cesiumklokken prima werken voor dingen als ons brengen waar we heen moeten.

Maar zeer precieze optische klokken kunnen nieuwe toepassingen mogelijk maken "die simpelweg niet mogelijk zouden zijn met onze huidige technologie", zei Barrett.

Klokken zijn bijvoorbeeld gevoelig voor waar ze in de wereld zitten, omdat de tijd wordt vervormd door de zwaartekracht, volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Op dit moment kunnen atoomklokken op aarde het minuscule tijdsverloop dat optreedt als gevolg van de zwaartekracht van de aarde niet detecteren. Maar als onderzoekers over de hele wereld zeer nauwkeurige optische klokken kunnen plaatsen, zou die opstelling onderzoekers kunnen helpen bij het in kaart brengen van het zwaartekrachtveld van onze planeet, zei Barrett.

Verder konden zeer nauwkeurige atoomklokken materie en energie detecteren die we misschien nog niet kunnen zien, zei Lodewyck. Dat kan donkere materie zijn, die een zwaartekracht uitoefent en toch geen interactie heeft met gewoon licht en donkere energie, de mysterieuze kracht die de expansie van het universum lijkt te versnellen, zei hij.

Hier is hoe het werkt: als je de frequentie kent die nodig is om atomen in het tijdsbestek van een seconde te exciteren, zou je deze verschillende klokken over de hele wereld kunnen gebruiken om verschillen te detecteren die verder gaan dan je normaal zou verwachten. Er zijn "sommige theorieën die zeggen dat donkere materie om ons heen is, dus als we een stuk donkere materie oversteken, zou dit de klok verstoren", vertelde Lodewyck aan WordsSideKick.com.

Er kunnen zelfs toepassingen zijn waar we nu niet aan kunnen denken, zei Barrett. "Zeker, toen we voor het eerst klokken ontwikkelden met het oog op scheepvaart, hadden we nooit het idee dat iemand zou kunnen rondlopen en precies weten waar ze zich in een grote stad bevinden."

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Philip Howard: Four ways to fix a broken legal system.




Onderzoek


Hoe De Hyperloop Werkt
Hoe De Hyperloop Werkt

The Carbon-Fibre Future: It'S About More Than Speed ​​(Op-Ed)
The Carbon-Fibre Future: It'S About More Than Speed ​​(Op-Ed)

Science Nieuws


Blackbeard'S Booty: Pirate Ship Levert Medische Benodigdheden Op
Blackbeard'S Booty: Pirate Ship Levert Medische Benodigdheden Op

Nieuwe Gentherapie Voor Blindheid: Hoe Werkt Het?
Nieuwe Gentherapie Voor Blindheid: Hoe Werkt Het?

Komeet Kan Met De Aarde In Botsing Komen 13.000 Jaar Geleden
Komeet Kan Met De Aarde In Botsing Komen 13.000 Jaar Geleden

Panda-Beschermingen Slaan Ook Andere Soorten Op
Panda-Beschermingen Slaan Ook Andere Soorten Op

The Future Of Drones: Uncertain, Promising And Pretty Awesome
The Future Of Drones: Uncertain, Promising And Pretty Awesome


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com