Ytterbium-ur afviger med ét sekund på 14 milliarder år
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Teknologiens Mediehus kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Ytterbium-ur afviger med ét sekund på 14 milliarder år

Illustration: NIST

For en måned siden var det metallet strontium, der gjorde det muligt at gøre atomure så præcise, at de kun ville afvige med ét sekund hver 300 millioner år.

Nu er det så det bløde, sølvskinnende sjældne jordartsmetal ytterbium, der er det sidste nye inden for atomure, kan standardiseringsorganet NIST under det amerikanske handelsministerium berette.

To nye forsøgsure bygget på ytterbium-atomer er således så præcise, at var de blevet sat i gang under Big Bang for næsten 14 milliarder år siden, ville de kun have tabt eller vundet ét sekund på nuværende tidspunkt.

Fysikerne fra NIST har skabt ytterbium-atomerne i en ovn, som er det rør, der ses til venstre på billedet af uret herover.

Atomerne bliver derpå sendt til det vakuumkammer, man kan se i midten af billedet, hvor de bliver eksisteret af en laser. Laserlyset bliver transporteret gennem fire fibre, hvoraf man kan se den ene på billedet som en gul ledning, der hænger ned i midten.

Læs også: Alternativt atomur kan redefinere sekundet

Hvert af urene bruger 10.000 ytterbium-atomer, som er blevet nedkølet til 10 mikrokelvin og fanget ind i et optisk gitter, som er en serie af en slags flade, runde brønde lavet af laserlys.

En anden laser, som ’tikker’ 518 billioner gange i sekundet, fremprovokerer derpå et skifte mellem to energiniveauer i atomet.

NIST er begejstret for atomuret, da det ikke alene er formidabelt til at holde tiden, men også kan bruges til f.eks. at teste Einsteins relativitetsteori og måle, hvordan tid opfører sig forskelligt afhængig af tyngdekraften.

Ytterbium er det 70. grundstof i det periodiske system og er opkaldt efter den svenske by Ytterby.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

at snakke om et SÅ præcist ur når vi end ikke er sikre på lysets hastighed er konstant siden BB?
Lysets hastighed er pr definition C,altså må "tiden" forandre sig,alså uret gå hurtigere eller langsomere..?

  • 2
  • 2

Det er lokalt præcis og kan bruges til at regne en anden lokal præcis tid/sted ud hvis en dublet står der og så kan den jo også bruges til at undersøge lysets hastighed med.

  • 1
  • 0

"En anden laser, som ’tikker’ 518 billioner gange i sekundet,"

Dvs uret er afhængig af en ekstern kilde?

Mit ur er også hamrende præcist, men det kun fordi deffinitionen på et sekund tilpasses mit ur.

Et sekund er 1/60 min, som er 1/60 time som igen er 1/24 dag - og dagen varierer lidt hele tiden, så vi ved hvad et sekund er men jeg kan forstille mig at jorden ikke er så præcis og slet ikke har været det i de 5 millader år den har eksisteret.
Ja, idag er et sekund x antal svingninger fra et atom, men den oprindelige tildeling kan svinge noget.

Og jeg ved ikke om vi kan bruge det til meget, elektroniken lever alligevel sit eget liv...

  • 0
  • 0

Hvordan kan man egentlig måle dét sekund?

Jeg er ret sikker på, at man ikke blot kigger på uret mens man holder et stopur i hånden.

Der må være nogle beregninger som med afsæt i fysikken kan fortælle nøjagtigheden i rent teoretisk forstand.

Det er ikke usandsynligt, at man gør det. Men der bruges ikke stopuret fra Bilka.

Du kan relativt nemt måle tidsforskelle i størrelsesorden picosekund med et moderne stopur. Så i stedet for, at vente et helt sekund, så kan du nøjes med at vente et picosekund, og se hvor lang tid der går. Et picosekund er 10^-12 sekund, og dermed så bliver 14 milliarder år gange 10^-12 en mere slugbar størrelse på kun 5 dage.

De skriver laseren "ticker" 518 billioner gange i sekundet, hvilket er 518 gange på et picosekund. Med andre ord, så tikker viseren 518 step frem på et picosekund, hvis signalet bruges til stopur.

Så det er intet problem.

Bruges interferens, kan endda ses mønsteret bevæger sig ud af fase, på tidsforskelle langt under end hel bølgelængde.

Som eksempel kan de have signalet fra to atomure, og måle tidsforskellen i forhold til hinanden, f.eks. ved interferens. Det giver mulighed for, at en eventuel tidsforskel på brøkdele af et picosekund hurtigt ses.

Måske kan man diskutere, om der kan være fejlkilder, der gør at de to atomure ikke kører uafhængigt, men "trigges" af hinanden, f.eks. ved at noget fejllys fra den ene, medfører stimuleret trigning på den anden. Men så er det jo ikke et atomur, og en anden fysik der er bag, hvilket næppe er tilfældet.

  • 0
  • 0

En norm man kan opretholde er altid brugbare som reference og kontrolpunkt, skulle normen ændre sig, ved ændrede ydre omstændigheder, gør det heller ikke noget, andet en man så kan konstantere disse ændringer, og sjovt nok var det lige det der var meningen.

  • 1
  • 0

Overskriftet er i øvrig noget sludder, det er ren teori som tager udgangspunkt i et teoretisk ur som ikke kan eksistere i virkeligheden.

  • 0
  • 6

Jeg savner i artiklen en bedre beskrivelse af hvorfor dette grundstof skulle være bedre.
Så vidt jeg ved er det det samme princip man bruger i alle atomure, så hvorfor er dette grundstof så meget bedre til at holde tiden?

  • 5
  • 1

Et sekund på 14 milliarder år, giver så en unøjagtighed på 2,2634...E-18 sekund per sekund og for at kunne bestemme denne nøjagtighed, skulle man tro at lysets hastighed skal være kendt med mindst 10 decimaler efter kommaet, men den er kun angivet med en meters nøjagtighed og kan med dette kendskab til lysets hastighed kun bestemmes med en nøjagtighed på max 9,5 år per sekund afvigelse... hvis jeg har regnet rigtig, vel at mærke. Der er langt fra 9,5 år til 14 milliarder år...

  • 1
  • 0

skulle man tro at lysets hastighed skal være kendt med mindst 10 decimaler

Lysets hastighed indgår intet sted i denne type frekvensnormal.

Det man måler er antallet af perioder per tid, ikke antallet af perioder per distance.

Jeg savner i artiklen en bedre beskrivelse af hvorfor dette grundstof skulle være bedre.

Det er mest et praktisk spørgsmål om at diverse kvanteovergange ligger bekvemt for stabiliserbare læsere. Andre brugte grundstoffer er kviksølv, aluminium etc.

Og så den længere forklaring på flere af de første spørgsmål:

Frekvensnormalen virker ved at måle energiforskellen i et helt bestemt kvantespring i atomet.

Det kan man i princippet også gøre ved at lave et udladningsrør med samme atom og sende lyset igennem et prisme.

Gør man det, er spektrallinierne imidlertid meget brede, fordi atomerne farer rundt, støder ind i hinanden og glasset i røret, fordi den elektriske strøm laver et magnetfelt og mange andre fejlkilder.

Hele fysikopstillingen har til formål at "køle" atomerne ned, få dem til at ligge stille så doppler effekten elimineres, reducere temperaturen så termiske vibrationer og sammenstød elimineres, magnetiske skjolde så jordens og elektriske magnetfelter elimineres osv.

Hvis disse "opstillings-lasere" ikke har korrekt frekvens og effekt, påvirker det alene bredden af spektrallinien, ikke dens frekvens.

Hvilken frekvens har så spektrallinien ?

Det er faktisk det mest uldne punkt: Det er man nødt til at måle.

Inden Yb kan overtage, eller hjælpe Cs med at definere længden af sekundtet, skal vi beslutte hvad frekvensen er, i forhold til sekundets længde, som defineret af Cs.

Der er et korrekt teoretisk forhold imellem disse to frekvenser, men vi kan ikke regne det ud. Det er kun for brint man har kunnet udregne en teoretisk frekvens (med 15-16 ciffre), for komplexe atomer som Cs og Yb er regneopgaven astronomisk.

Hvor præcist frekvensnormalen rammer den "rigtige" frekvens, dækkes af begrebet "præcision".

Men "stabilitet" er uafhængig af "præcision". Stabilitet er hvor konstant frekvensen er og det er faktisk meget vigtigere end præcisionen, fordi tid måles akkumuleret og ikke fra et fast referencepunkt.

(Man kan sagtens lave et ur hvor pendulet svinger 29 gange i minuttet, det handler kun om hvor mange tænder man har på sine tandhjul, men et ur hvor pendulet svinger 27-31 gange i minuttet bliver aldrig godt.)

  • 13
  • 0

Hvordan beviser man så det er så præcist? Hvad sammenligner man med ?

Man sammenligner 2 eller flere ens opbyggede ure.

Det afgørende er jo ikke, hvor ”hurtigt” ure tikker, men hvor meget de afviger fra hinanden (reproducerbarhed).

Nu er artiklen lidt misvisende. Det ny ytterbium-ur har ligesom andre ure forskellige former for fasestøj. For at nå ned på den anførte ustabilitet på 1,6 x 10^-18 midles over 25000 sekunder (7 timer).

Hvis der kun blev midlet over 1 sekund, ville ustabiliteten svare til de ”gamle” cæsium-ure (hvor midlingen sker over en periode på 5 dage).

De ny ure er et kæmpe fremskridt, som bl.a. kan bruges til præcisionstest af almen relativitetsteori.

Problemstillingen med flere ure, midling og fasestøj går under begrebet Allan-afvigelse og uddybes her: http://en.wikipedia.org/wiki/Allan_variance

  • 4
  • 0

Hvordan beviser man så det er så præcist? Hvad sammenligner man med ?

Hvis du har bygget en ny type Cs frekvensnormal er det nemt: Den skal have samme frekvens som alle andre Cs normaler (specifikt det "ensemble" der defineret SI-sekundtet i samarbejde).

Når du bruger et andet atom, skal dets frekvens som sagt fastlægges ved målinger og det gør man simpelthen ved at måle i forhold til Cs normaler.

Et eksempel er "fontæner" hvor det har vist sig at Rb er et bedre atom en Cs af forskellige praktiske årsager.

Problemet er at selvom vi har Rb-frekvensnormaler, har vi aldrig fastlagt den præcise Rb frekvens med den nødvendige præcision (14-15 decimaler), fordi disse "gas-celle" konstruktioner lider af en masse systematiske effekter der flytter frekvensen men bevarer stabiliteten.

Derfor er der nu blevet bygget "fontæner" der kan skifte imellem Cs og Rb, således at man kan måle forholdet imellem de to frekvenser under identiske forhold og få den detalje på plads.

Inden man kan fastlægge Yb frekvensen med 14-15 decimaler, vil det være nødvendigt at gøre noget tilsvarende.

Der er jævnt hen snak om at redefinere SI sekundet til et "bedre atom", dvs. til en højere frekvens, fordi der simpelthen er grænser for hvor præcist man kan måle de 9.2...GHz fra Cs når det kommer til stykket.

Med mindre nogen finder på en billig og simpel måde at bygge Yb normaler på, er det næppe noget der sker lige med det samme, for det er ikke ønskværdigt at have en SI standard der ikke nemt kan reproduceres, specielt skal den meget gerne kunne transporteres fysisk, idet sammenligning af frekvenser tværs over oceaner stadig ikke er ret præcist.

  • 1
  • 0

Der er ellers store bestræbelser i gang.

Jo bestemt da.

Men jeg tror ikke det politiske puslespil om SI-sekundtet går op, før du kan gå ind på en web-side, flashe firmakortet, modtage en papkasse, skrue din nye Yb-frekvensnormal i 19" racket og tænde for den.

Dertil er der endnu et stykke vej...

Der er rygter om at der komme en kommerciel "fountain" på markedet "snart", men de har sagt "snart" længe og det er helt sikkert udenfor min prisklasse...

  • 1
  • 0

Men jeg tror ikke det politiske puslespil om SI-sekundtet går op

Med de ny ure er det muligt at teste almen relativitetsteori til 2.orden (hidtidige tests er til 1.orden). Derfor er der store udviklingsbestræbelser i gang. I sammenligning med eksempelvis LIGO (der stadig er tavs) er udviklingsomkostningerne beskedne.

Og relativitets-fysikere er bedøvende ligeglade med definitionen af SI-sekundet. De ønsker bare et stabilt ur til deres tests.

  • 0
  • 0

På Bernhard Husens formodning:

skulle man tro at lysets hastighed skal være kendt med mindst 10 decimaler

Var PHK’s svar:

Lysets hastighed indgår intet sted i denne type frekvensnormal.

.
Efter påvisning af, at det ikke er korrekt, blev det af PHK modificeret til:

Præcis som den gør for den foton der kommer fra Cs atomerne der definere hvor langt et sekund er.

Og derfor indgår lysets hastighed ikke når du prøver på at måle Yb atomers fotoner, på en tidsskala defineret ved Cs atomers fotoner.

.
Sagt på normal-dansk: Lyshastigheden indgår i både Cæsium-normalen og i Ytterbium-uret.

  • 1
  • 1

For dem der har interesse i atom-ure, er der netop frigivet en glimrende og let læselig oversigtsartikel på ArXiv med titlen: Atomic clocks: new prospects in metrology and geodesy

Abstract:
We present the latest developments in the field of atomic clocks and their applications in metrology and fundamental physics. In the light of recent advents in the accuracy of optical clocks, we present an introduction to the relativistic modelization of frequency transfer and a detailed review of chronometric geodesy

  • 1
  • 0

Hvis uret afviger x sekunder paa 1 aar, saa antager man, det afviger y * x sekunder paa y aar.

Det er en forkert antagelse og det er en lidt lang forklaring.

SI-sekundet adskiller sig fra alle de andre SI-enheder, ved at man ikke kan lave "artifaktbaseret" sammenligning.

Hvis man vil sammenligne PTB's og NIST's respektive materialiseringer af elektrisk spænding, kan man f.eks bygge en meget stabil zener-reference og flyve fra det ene sted til det andet og lave sammenligninger.

Det kan man ikke gøre med tid: Der er én chance for at måle længden af et bestemt sekund og man kan
ikke være to steder på en gang.

Man kan godt gøre det med frekvens, i min barndom fløj Hewlett-Packard medarbejdere hele verden rundt med to cæsium frekvensnormaler på første klasse, for at sammenligne frekvenser i hele verden og man bruger stadig metoden som sanitycheck, f.eks CERN i forbindelse med deres neutrinoer.

Balladen med "1 sekund i X mio år" er at folk forveksler frekvensnormaler og ure.

En frekvensnormal spytter tidsintervaller ud, som tilstræbes at have samme længde.

Et ur tæller disse tidsintervaller.

Urets fejlvisning er derfor en "random walk" sum af frekvensnormalens stabilitetsfejl: Nogle intervaller er for lange, nogen er for korte.

Hvor meget forkert uret risikerer at vise efter et givent stykke tid, er derfor en statistisk funktion af stabilitetsfejlens karakter (random walk fase, r-w frekvens, hvid fasestøj, hvid frekvens støj mv.)

Hvis frekvensnormalens præcision er lav, hvis man f.eks har målt/besluttet frekvensen forkert, vil de alle være for lange eller for korte, men det ser man normalt bort fra fordi det er en triviel lineær korrektion.

Og nu kan vi komme tilbage til dit spørgsmål:

Efter y år forventer man at uret er f(x,y) sekunder forkert, hvor f(x,y) afhænger af oscillatorens støj i fase og frekvens og typisk vokser væsentligt langsommere end x * y.

For atomare frekvensnormaler, uden frekvensdrift (= "en primær atomfrekvensnormal"), er sqrt(x * y) en anvendelig førsteordens approximation.

  • 1
  • 0

Et sekund er vel udregnet efter jorden drejer en omgang om sig [...]

Nej og det har det sådan set aldrig været nogen sinde.

Indtil 1958 var det defineret som 1/31,556,925.9747 det "tropiske år 1900" -- en bestemt astronomisk definition af et år, baseret på målinger fra dengang.

Derefter er det defineret som 9,192,631,770 perioder af strålingen fra en bestemt kvanteovergang i ¹³³Cs, med visse senere opklarende tilføjelser angående højde over geoiden og temperaturen.

  • 0
  • 0

PHK skriver:

Lysets hastighed indgår intet sted i denne type frekvensnormal

Og slutter efter længere standhaftig diskussion med:

Er vi færdige nu ? :-)

Nej det er vi ikke, for dit udsagn er ganske enkelt forkert.

Jeg vil ikke opliste et udtryk for energiniveauerne for Ytterbium. Det er for langt og for kompliceret.

Men her er Dirac’s relativistiske udtryk for energien for en elektron med ladningen e og massen m og kvantetallene n og j (og spinkvantetallet ½) i et centralfelt med ladningen Z x e. Epsilon(o) er permittiviteten i vacuum og h er Planck’s konstant:

[latex]E(n,j) = -m{c}^{2}{\frac {1}{\sqrt {1+1/4\,{Z}^{2}{e}^{4}{\epsilon_{{o}}}^{-2}{h}^{-2}{c}^{-2} \left( n-j-1/2+\sqrt { \left( j+1/2 \right) ^{2}-1/4\,{\frac {{Z}^{2}{e}^{4}}{{\epsilon_{{o}}}^{2}{h}^{2}{c}^{2}}}} \right) ^{-2}}}}[/latex]

Og frekvensen for fotoner ved et kvantespring er som bekendt bestemt ved:

[latex]Frekvens = {\frac {\Delta \left( E \right) }{h}}[/latex]

Lyshastigheden c indgår utvetydigt flere steder i udtrykket for energien og dermed også for kvantespring og frekvens. Endda ulineært.

Det samme gælder for Ytterbium, blot er forholdene endnu mere komplicerede.

Beklager. Din påstand om frekvensnormalens uafhængighed af lyshastighed holder ikke.

  • 1
  • 0

Det er bedre i udtrykket for energien at erstatte permittiviteten med vacuum permeabiliteten, der jo er defineret som en konstant, altså:

[latex]\epsilon_{{o}}={\frac {1}{\mu_{{o}}{c}^{2}}}[/latex]

[latex]\mu_{{o}}={\frac {1}{2500000}}\,\pi[/latex]

[latex]E(n,j) = -m{c}^{2}{\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {1}{25000000000000}}\,{Z}^{2}{e}^{
4}{\pi }^{2}{c}^{2}{h}^{-2} \left( n-j-1/2+\sqrt { \left( j+1/2
\right) ^{2}-{\frac {1}{25000000000000}}\,{\frac {{Z}^{2}{e}^{4}{\pi
}^{2}{c}^{2}}{{h}^{2}}}} \right) ^{-2}}}}[/latex]

Det ændrer intet ved min tidligere argumentation, men eliminerer en konstant.

Frekvensen er stadig ulineært afhængig af lyshastigheden.

  • 1
  • 0

Undskyld men hvordan kunne man bruge dette som referencepunkt?

Ja, godt spørgsmål, ikke sandt ?

Det kunne man naturligvis heller ikke.

I praksis brugte man aktuelle målinger med meridian-cirkler som f.eks Carlsberg Meridianen (http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og...) som man "korrigerede" på forskellige mere eller mindre relevante måder.

Det virkede overhovedet ikke, for årets længde er slet ikke konstant og fra 1958 og 1972 prøvede man at få atomer og geofysik til at følges ad ved at justere antallet af ¹³³Cs svingninger der skulle være per sekund (også kaldet "gummisekunder"). I 1972 gik man over til fast atomar frekvens og bruger nu skudsekunder til at få geofysikken til at passe.

  • 0
  • 0

Frekvensen er stadig ulineært afhængig af lyshastigheden.

Lyshastigheden er en konstant.

Den har samme værdi for både Cs, Sr og alle andre atomer ("of which the news have come to Harward...")

Derfor falder den helt og aldeles ud i en frekvenssammenligning imellem Cs og Sr og derfor er det ligegyldigt hvor præcist vi kender lyshastigheden (jvf. det oprindelige vrøvlespørgsmål ovenfor.)

Og det er oven i købet andenordensvrøvl, alt den stund at lyshastigheden er en fundamentalkonstant, der bruges til at definere meteren med:

"The length of the path travelled by light in vacuum during a time interval of 1/299,792,458 of a second."

Og her er det dine ophævelser også bliver til vrøvl: Lysets hastighed er defineret relativt til det sekund strålingen fra Cs udsender.

Du kan derfor omskrive lyshastigheds definitionen til:

"The length of the path travelled by light in vacuum during a timeinterval of 9,192,631,770/299,782,458 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom"

Og nu gider jeg ikke mere...

  • 0
  • 3

Lyshastigheden er en konstant.

Ja og nej. Set udefra afhænger lyshastigheden i vakuum af tyngdefeltet (eller accelerationen). Sammenlignes med et ur i et andet felt vil uret's frekvens vel være proportional med lyshastigheden. Om der er 2. ordens led og højere må de kloge kunne sige.
Som nævnt tidligere er det vel den vigtigste motivation for at øge præcisionen: At undersøge disse afhængigheder.

  • 1
  • 0

Søren:

Ja og nej. Set udefra afhænger lyshastigheden i vakuum af tyngdefeltet

PHK:

Definitionen af SI-sekundet tog højde for den detalje fra 1977, ved at tilføje at Cs atomet skulle befinde sig "på den roterende geoide" == 0m(MSL).

I snakker forbi hinanden.

Definitionen fra 1977 sikrer, SI-sekundet kan måles ens på Jorden.

Søren siger set udefra - altså i et overordnet referencesystem. Mens man i det lokale referencesystem altid vil måle lyshastigheden i vacuum, kan man sagtens måle en anden lyshedstighed i det overordnede referencesystem (=set udefra).

Definitionen på SI-sekundet eliminerer altså ikke almen relativitetsteori. Og det er bl.a. derfor, at man gerne vil have stabile ure ud i rummet, så teorien kan testes yderligere.

  • 1
  • 0

PHK skriver:

Du kan derfor omskrive lyshastigheds definitionen til:
"The length of the path travelled by light in vacuum during a timeinterval of 9,192,631,770/299,782,458 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom"
Og nu gider jeg ikke mere...

Inden du dropper ud, bør du lige rette teksten, for ovenstående er ikke den omskrevne definition på lyshastigheden - men derimod den omskrevne definition på normalmeteren.

  • 0
  • 0

PHK skriver:

Og her er det dine ophævelser også bliver til vrøvl: Lysets hastighed er defineret relativt til det sekund strålingen fra Cs udsender. Du kan derfor omskrive lyshastigheds definitionen til:

"The length of the path travelled by light in vacuum during a timeinterval of 9,192,631,770/299,782,458 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom"

Og nu gider jeg ikke mere...

Inden du dropper ud, bør du lige rette teksten, for ovenstående er ikke den omskrevne definition på lyshastigheden - men derimod den omskrevne definition på normalmeteren.

  • 0
  • 0