Świat fizyki w tym miesiącu wpadł w pewien tizz, naukowcy z Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek w CERN odkryli anomalię podczas jednego z eksperymentów, które zdawały się pokazywać, że niektóre cząstki poruszają się szybciej niż światło.

Serwer czasu może zapewnić dokładność zegara atomowego

Szybciej niż lekka podróż dla jakiejkolwiek cząstki jest oczywiście zabroniona, zgodnie z Einsteinowską Szczególną Teorią Względności, ale zespół OPERA z CERN, który wystrzelił neutrina wokół akceleratora cząstek, podróżując na 730 km, stwierdził, że neutrina pokonały dystans 20 części na milionów szybciej niż fotonów (cząstek światła), co oznacza, że ​​złamali limit prędkości Einsteina.

Chociaż eksperyment ten może okazać się jednym z najważniejszych odkryć w fizyce, fizycy pozostają sceptyczni, sugerując, że przyczyną może być błąd generowany w trudnościach i złożoności pomiaru tak dużych prędkości i odległości.

Zespół CERN wykorzystał GPS serwery czasu, przenośne zegary atomowe i systemy pozycjonowania GPS do wykonywania obliczeń, które zapewniały dokładność w odległości do 20cm i dokładność czasu w zakresie nanosekund 10. Jednak obiekt jest pod ziemią, a sygnały GPS i inne strumienie danych musiały zostać podłączone do eksperymentu, co jest opóźnieniem, które zespół jest pewny, że wziął pod uwagę podczas ich obliczeń.

Fizycy z innych organizacji próbują teraz powtórzyć eksperymenty, aby sprawdzić, czy osiągają takie same wyniki. Bez względu na wynik, ten rodzaj przełomowych badań jest możliwy tylko dzięki dokładności zegarów atomowych, które mogą mierzyć czas do milionowych części sekundy.

Aby zsynchronizować sieć komputerową z zegarem atomowym, nie musisz mieć dostępu do laboratorium fizyki, takiego jak CERN, jako prostego Serwery czasu NTP jak galeony NTS 6001 otrzyma dokładne źródło atomowego czasu zegarowego i utrzyma cały sprzęt w sieci w ciągu kilku milisekund.

Większość z nas uważa, że ​​wiemy, co to jest za czas. Na pierwszy rzut oka nasze zegarki na rękę lub zegary ścienne, możemy powiedzieć, która jest godzina. Sądzimy również, że mamy całkiem niezły pomysł na szybkość poruszania się do przodu, sekunda, minuta, godzina lub dzień są dość dobrze zdefiniowane; jednak te jednostki czasu są całkowicie dziełem człowieka i nie są tak stałe, jak nam się wydaje.

Czas jest pojęciem abstrakcyjnym, podczas gdy my możemy myśleć, że jest taki sam dla wszystkich, czas jest zależny od jego interakcji z wszechświatem. Grawitacja, na przykład, jak zauważył Einstein, ma zdolność wypaczania czasoprzestrzeni, zmieniając prędkość, w której upływa czas, a podczas gdy wszyscy żyjemy na tej samej planecie, pod tymi samymi siłami grawitacyjnymi, istnieją subtelne różnice w prędkości, w której czas mija.

Wykorzystując zegary atomowe, naukowcy są w stanie ustalić efekt grawitacji Ziemi na czas. Wysoki nad poziomem morza umieszczany jest zegar atomowy, tym szybsze podróże w czasie. Chociaż różnice te są niewielkie, eksperymenty te wyraźnie pokazują, że postulaty Einsteina były prawidłowe.

Zegary atomowe zostały wykorzystane do wykazania niektórych innych teorii Einsteina dotyczących czasu. W swoich teoriach względności Einstein argumentował, że prędkość jest kolejnym czynnikiem wpływającym na szybkość, z jaką upływa czas. Umieszczając zegary atomowe na orbitach statków kosmicznych lub samolotach poruszających się z prędkością, czas mierzony tymi zegarami różni się od zegarów pozostawionych statycznie na Ziemi, co stanowi kolejny dowód na to, że Einstein miał rację.

Przed zegarem atomowym pomiar czasu do takiego stopnia dokładności był niemożliwy, ale odkąd ich wynalazek w 1950-ach, nie tylko postulaty Einsteina okazały się słuszne, ale także odkryliśmy kilka innych niezwykłych aspektów tego, jak traktujemy czas.

Podczas gdy większość z nas myśli o dniu w postaci 24-godzin, przy czym każdy dzień jest tej samej długości, zegary atomowe pokazały, że każdy dzień jest różny. Ponadto, zegary atomowe pokazały również, że obrót Ziemi stopniowo zwalnia, co oznacza, że ​​dni powoli się wydłużają.

Z powodu tych zmian czasu, światowa globalna skala czasowa UTC (Coordinated Universal Time) wymaga sporadycznych korekt. Co około sześć miesięcy dodawane są sekundy przestępne, aby zapewnić, że UTC będzie działać w takim samym tempie jak dzień Ziemi, co będzie oznaczać stopniowe spowolnienie obrotu planety.

W przypadku technologii wymagających dużej dokładności, te regularne korekty czasu są uwzględniane przez protokół czasu NTP (Network Time Protocol), więc sieć komputerowa wykorzystująca Serwer czasu NTP jest zawsze zgodne z UTC.

Zegar atomowy nie jest najnowszym wynalazkiem. Opracowany w 1950 tradycyjny zegar atomowy na bazie cezu zapewnia nam dokładny czas od pół wieku.

. zegar atomowy cezu stał się podstawą naszego czasu - dosłownie. The Międzynarodowy system jednostek (SI) definiują sekundę jako pewną liczbę oscylacji atomu cezu, a zegary atomowe regulują wiele technologii, z których korzystamy na co dzień: Internet, nawigacja satelitarna, kontrola ruchu lotniczego i sygnalizacja świetlna, aby wymienić tylko kilka.

Jednak ostatnie postępy w optycznych zegarach kwantowych, które wykorzystują pojedyncze atomy metali, takich jak aluminium czy stront, są tysiące razy dokładniejsze niż tradycyjne zegary atomowe. Aby to ująć, najlepszy zegar atomowy cezu używany przez instytuty takie jak NIST (Narodowy Instytut Standardów i Czasu) lub NPL (National Physical Laboratory) do zarządzania globalną skalą światową UTC (Skoordynowany Czas Uniwersalny), z dokładnością do jednej sekundy za każdy 100 milionów lat. Jednak te nowe kwantowe zegary optyczne są dokładne co sekundę co XUM miliarda lat - prawie tak długo, jak Ziemia jest stara.

Dla większości ludzi ich jedyne spotkanie z zegarem atomowym odbiera swój sygnał czasu to sieciowy serwer czasu or Urządzenie NTP (Network Time Protocol) w celu synchronizacji urządzeń i sieci oraz te atomowe sygnały zegarowe są generowane przy użyciu zegarów cezowych.

Dopóki światowi naukowcy nie zgodzą się na pojedynczy atom, który zastąpi cez i pojedynczy projekt zegara do utrzymania UTC, nikt z nas nie będzie w stanie wykorzystać tej niewiarygodnej dokładności.

Zegary atomowe są najdokładniejsze chronometry, jakie mamy. Są miliony razy dokładniejsze niż zegary cyfrowe i mogą przechowywać czas przez setki milionów lat, nie tracąc nawet sekundy. Ich zastosowanie zrewolucjonizowało sposób, w jaki żyjemy i pracujemy, a także umożliwiło korzystanie z takich technologii, jak systemy nawigacji satelitarnej i globalny handel internetowy.

Ale jak działają? O dziwo, zegary atomowe działają w taki sam sposób jak zwykłe zegary mechaniczne. Ale zamiast mieć zwiniętą sprężynę i masę lub wahadełko, używają oscylacji atomów. Zegary atomowe nie są radioaktywne, ponieważ nie polegają na rozpadzie atomowym, lecz polegają na niewielkich wibracjach przy pewnych poziomach energii (oscylacjach) między jądrem atomu a otaczającymi go elektronami.

Kiedy atom otrzymuje energię mikrofalową dokładnie na właściwej częstotliwości, zmienia stan energii, stan ten jest stały i niezmienny, a oscylacje mogą być mierzone podobnie jak tykanie mechanicznego zegara. Jednak, gdy mechaniczne zegary zaznaczają się co sekundę, zegary atomowe "zaznacz" kilka miliardów razy na sekundę. W przypadku atomów cezu, najczęściej stosowanych w zegarach atomowych, zaznaczają 9,192,631,770 na sekundę - co jest teraz oficjalną definicją sekundy.

Zegary atomowe rządzą obecnie całą globalną społecznością jako uniwersalna skala czasowa UTC (Koordynowany czas uniwersalny) oparty na zegarze atomowym został opracowany w celu zapewnienia synchronizacji. Sygnały atomowe UTC mogą być odbierane przez sieciowe serwery czasu, często określane jako Serwery NTP, który może zsynchronizować sieci komputerowe w ciągu kilku milisekund UTC.

Od zegarków na rękę do zegary atomowe i serwery czasu NTPzrozumienie czasu stało się kluczowe dla wielu nowoczesnych technologii, takich jak nawigacja satelitarna i globalna komunikacja.

Od czasu rozszerzenia do skutków grawitacji na czas, czas ma wiele dziwnych i cudownych aspektów, które naukowcy dopiero zaczynają rozumieć i wykorzystywać. Oto kilka interesujących, dziwnych i niezwykłych faktów na temat czasu:

• Czas nie jest oddzielony od przestrzeni, czas to, co Einstein nazwał czterowymiarowym czasoprzestrzenią. Czas spoczynku może zostać wypaczony przez grawitację, co oznacza, że ​​czas spowalnia większy wpływ grawitacyjny. Dzięki zegary atomoweczas na ziemi można zmierzyć w każdym kolejnym calu nad powierzchnią ziemi. Oznacza to, że stopy każdego ciała są młodsze od głowy, ponieważ czas płynie wolniej, a niżej do ziemi, którą dostajesz.

• Czas zależy również od prędkości. Jedyną stałą we wszechświecie jest prędkość światła (w próżni), która jest zawsze taka sama. Ze względu na słynne teorie względności Einsteina, każdy podróżujący z prędkością bliską prędkości światła, podróż do obserwatora, który zajęłoby tysiące lat, minąłby w ciągu kilku sekund. Nazywa się to dylatacją czasu.

• We współczesnej fizyce nie ma nic, co zabraniałoby podróżowania w czasie zarówno do przodu, jak i do tyłu w czasie.

• Istnieje 86400 sekund dziennie, 600,000 w ciągu tygodnia, więcej niż 2.6 milionów w miesiącu i więcej niż 31 milionów w roku. Jeśli przeżyjesz wiek 70, przeżyjesz ponad 5.5 miliarda sekund.

• Nanosekunda to jedna miliardowa część sekundy lub mniej więcej czas potrzebny, aby światło przemieściło się wokół stopy 1 (30 cm).

• Dzień nigdy nie jest dłuższy niż 24 godzin. Obrót Ziemi przyspiesza stopniowo, co oznacza, że ​​globalna skala czasowa UTC (skoordynowany czas uniwersalny) musi wynosić sekundy przestępne raz lub dwa razy w roku. Te sekundy przestępne są automatycznie rozliczane w dowolnej synchronizacji zegara, która wykorzystuje NTP (Network Time Protocol), taki jak Dedykowany serwer czasu NTP.

Po sukcesie duńskich naukowców współpracujących z NIST (Narodowy Instytut Standardów i Czasu), który na początku bieżącego roku zaprezentował najdokładniejszy zegar atomowy na świecie; Niemiecki naukowiec wziął udział w wyścigu, aby zbudować najbardziej precyzyjny zegarek świata.

Badacze z Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech używają nowych metod spektroskopii do badania układów atomowych i molekularnych i mają nadzieję na opracowanie zegara opartego na pojedynczym atomie glinu.

most zegary atomowe używany do nawigacji satelitarnej (GPS) jako odniesienie dla sieci komputerowej Serwerów NTP a kontrola ruchu lotniczego tradycyjnie opiera się na atomie cezu. Jednak następna generacja zegarów atomowych, takich jak ta odkryta przez NIST, która jest uważana za dokładną w ciągu sekundy co 300 milionów lat, wykorzystuje atomy z innych materiałów, takich jak stront, które według naukowców mogą być potencjalnie bardziej dokładne niż cezu. .

Naukowcy z PTB zdecydowali się na użycie pojedynczych atomów aluminium i są przekonani, że są na najlepszej drodze do opracowania najdokładniejszego zegara i wierzą, że istnieje ogromny potencjał, aby takie urządzenie pomogło nam zrozumieć niektóre z bardziej skomplikowanych aspektów fizyki.

Obecne zbiory zegarów atomowych umożliwiają korzystanie z takich technologii, jak nawigacja satelitarna, kontrola ruchu lotniczego i synchronizacja czasu sieciowego Serwerów NTP ale uważa się, że zwiększenie dokładności następnej generacji zegarów atomowych może być wykorzystane do ujawnienia niektórych z bardziej enigmatycznych cech kwantowej nauki, takich jak teoria strun.

Naukowcy twierdzą, że nowe zegary zapewnią taką dokładność, że będą nawet w stanie zmierzyć niewielkie różnice w grawitacji w obrębie każdego centymetra nad poziomem morza.

Broń jądrowa, komputery, GPS, zegary atomowe i datowanie węglem - atomów jest znacznie więcej niż myślisz.

Od początku XX wieku ludzkość miała obsesję na punkcie atomów i drobiazgów naszego wszechświata. W dużej części pierwszej części ubiegłego wieku ludzkość miała obsesję na punkcie wykorzystania ukrytej mocy atomu, ujawnionej nam przez dzieło Alberta Einsteina i sfinalizowanej przez Roberta Oppenheimera.

Jednak nasza eksploracja atomu była znacznie większa niż sama broń. Studiowanie atomów (mechanika kwantowa) stanowi podstawę większości naszych nowoczesnych technologii, takich jak komputery i Internet. Jest również w czołówce chronologii - pomiaru czasu.

Atom odgrywa kluczową rolę w prognozowaniu czasu i czasu. Zegar atomowy, wykorzystywany na całym świecie przez sieci komputerowe Serwerów NTP oraz inne systemy techniczne, takie jak kontrola ruchu lotniczego i nawigacja satelitarna.

Zegary atomowe działa poprzez monitorowanie oscylacji o bardzo wysokiej częstotliwości poszczególnych atomów (tradycyjnie cezu), które nigdy nie zmieniają się w poszczególnych stanach energetycznych. Ponieważ atomy cezu rezonują przez 9 miliard razy na sekundę i nigdy nie zmieniają jego częstotliwości, czyni to m bardzo dokładnym (tracąc mniej niż sekundę co 100 milionów lat)

Ale atomy mogą być również wykorzystywane do wypracowania nie tylko dokładnego i dokładnego czasu, ale mogą być również wykorzystane do ustalenia wieku obiektów. Datowanie węglowe to nazwa nadana tej metodzie, która mierzy naturalny rozpad atomów węgla. Wszyscy jesteśmy stworzeni głównie z węgla i podobnie jak inne elementy rozpadu węgla w czasie, w którym atomy tracą energię emitując cząstki jonizujące i promieniowanie.

W niektórych atomach, takich jak uran, dzieje się to jednak bardzo szybko, jednak inne atomy, takie jak żelazo, są bardzo stabilne i rozpadają się bardzo, bardzo powoli. Węgiel, który rozpada się szybciej niż żelazo, wciąż traci powoli energię, ale strata energii jest dokładna w miarę upływu czasu, więc analizując atomy węgla i mierzymy ich siłę, można dokładnie ustalić, kiedy węgiel pierwotnie się uformował.

Zegary atomowe mają ogromny wpływ na nasze współczesne życie dzięki wielu technologiom, które zrewolucjonizowały sposób, w jaki żyjemy, polegając na ich bardzo precyzyjnym utrzymywaniu czasu.

Zegary atomowe różnią się znacznie od innych chronometrów; normalny zegarek lub zegar będzie utrzymywać czas dość dokładnie, ale straci drugi lub dwa dziennie. Z drugiej strony zegar atomowy nie straci ani sekundy w ciągu milionów lat.

Właściwie można powiedzieć, że zegar atomowy nie mierzy czasu, ale jest fundamentem, na którym opieramy nasze postrzeganie czasu. Pozwólcie mi wyjaśnić, że czas, jak wykazał Einstein, jest względny i jedyną stałą we wszechświecie jest prędkość światła (choć próżnia).

Pomiar czasu z jakąkolwiek prawdziwą precyzją jest więc trudny, ponieważ nawet grawitacja na Ziemi skręca czas, spowalniając go. Niemożliwe jest również ustalenie czasu w dowolnym punkcie odniesienia. Historycznie zawsze używaliśmy rewolucji Ziemi i odniesienia do ciał niebieskich jako podstawy dla naszego opowiadania o czasie (24 godzin w ciągu dnia = jeden obrót Ziemi, 365 dni = jeden obrót Ziemi wokół Słońca itp.).

Niestety, obrót Ziemi nie jest dokładnym układem odniesienia, aby utrzymać nasz czas na utrzymaniu. Ziemia zwalnia i przyspiesza w swojej rewolucji, co oznacza, że ​​niektóre dni są dłuższe niż inne.

Zegary atomowe jednak użył rezonansu atomów (zwykle cezu) w poszczególnych stanach energetycznych. Ponieważ te atomy wibrują z dokładną częstotliwością (lub dokładną liczbę razy), można to wykorzystać jako podstawę do opowiedzenia czasu. Tak więc po opracowaniu zegara atomowego, drugi został zdefiniowany jako ponad 9 miliardowy rezonans "kleszczy" atomu cezu.

Bardzo precyzyjna natura zegarów atomowych jest podstawą technologii takich jak nawigacja satelitarna (GPS), kontrola ruchu lotniczego i handel internetowy. Możliwe jest wykorzystanie dokładnej natury zegarów atomowych do synchronizacji sieci komputerowych. Wszystko, co potrzebne, to Serwer czasu NTP (Network Time Protocol).
Serwerów NTP odbierają czas z zegarów atomowych za pośrednictwem sygnału rozgłoszeniowego lub sieci GPS, a następnie rozprowadzają je pomiędzy siecią, zapewniając, że wszystkie urządzenia mają dokładnie taki sam, bardzo dokładny czas.

Ci pionierzy chronologiczni w NIST połączyli siły z Uniwersytetem Kolorado i opracowali najdokładniejszy na świecie zegar atomowy. Zegar oparty na stroncie jest prawie dwa razy dokładniejszy niż obecne zegary cezu, którymi można rządzić UTC (Coordinated Universal Time), ponieważ traci tylko sekundę co 300 milionów lat.

Stront na bazie zegary atomowe są teraz postrzegane jako droga naprzód w mierzeniu czasu, ponieważ wyższe poziomy dokładności są osiągalne, co nie jest możliwe z atomem cezu. Zegary strontardowe, podobnie jak ich poprzednicy, wykorzystują naturalną, ale bardzo stałą wibrację atomów.

Jednak te nowe generacje zegarów wykorzystują wiązki laserowe i skrajnie niskie temperatury zbliżone do zera absolutnego, aby kontrolować atomy i mamy nadzieję, że jest to krok naprzód w kierunku stworzenia idealnie precyzyjnego zegara.

Ta skrajna dokładność może wydawać się o krok za daleko i niepotrzebna, ale zastosowania takiej precyzji są bardzo złożone i jeśli wziąć pod uwagę technologie, które zostały opracowane na podstawie pierwszej generacji zegarów atomowych, takich jak nawigacja GPS, Serwer NTP synchronizacja i transmisja cyfrowa Nowy świat ekscytującej technologii opartej na tych nowych zegarach może być tuż za rogiem.

Podczas gdy obecnie światowa globalna skala czasu, UTC, opiera się na czasie określonym przez konstelację zegarów cezowych (a przy okazji tak samo jest z definicją sekundy jako ponad 9 miliarda cezowych cezów), uważa się, że kiedy Komitet Konsultacyjny ds. Czas i częstotliwość w Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) Następnie spotka się z nim przedyskutuje, czy zrobić te następne pokolenie zegary atomowe nowy standard.

Jednak zegary strontu nie są jedyną metodą bardzo precyzyjnego czasu. W ubiegłym roku zegar kwantowy, opracowany również z dokładnością do zarządzania NIST 1 sekunda w 1 miliard lat. Jednak ten typ zegara nie może być bezpośrednio monitorowany i wymaga bardziej złożonego schematu monitorowania czasu.

Większość ludzi ledwo słyszała o zegar atomowy i zakładają, że wiedzą, co to jest, ale niewiele osób wie, jak ważne są zegary atomowe do prowadzenia naszego codziennego życia w dwudziestym pierwszym wieku.

Jest tak wiele technologii opartych na zegarach atomowych i bez wielu zadań, które przyjmujemy za pewnik, byłoby niemożliwe. Kontrola ruchu lotniczego, nawigacja satelitarna i handel internetowy to tylko niektóre z aplikacji opartych na ultra precyzyjnej chronometrii zegara atomowego.

Dokładnie co zegar atomowy jest, jest często źle rozumiany. Mówiąc prościej, zegar atomowy jest urządzeniem, które wykorzystuje oscylacje atomów w różnych stanach energetycznych do zliczania tyknięć między sekundami. Obecnie cez jest preferowanym atomem, ponieważ ma ponad 9 miliardów cykli na sekundę, a ponieważ te oscylacje nigdy się nie zmieniają, czyni je bardzo dokładną metodą utrzymywania czasu.

Zegary atomowe, mimo że wiele osób twierdzi, są dostępne tylko w laboratoriach fizyki na dużą skalę, takich jak NPL (Brytyjskie krajowe laboratorium fizyczne) i NIST (Amerykański Narodowy Instytut Norm i Czasu). Często ludzie sugerują, że mają zegar atomowy kontrolujący sieć komputerową lub zegar atomowy na ścianie. To nie jest prawda, a ludzie odnoszą się do tego, że mają zegar lub serwer czasu, który odbiera czas z zegara atomowego.

Urządzenia takie jak Serwer czasu NTP często otrzymują atomowe sygnały zegarowe z miejsc takich jak NIST lub NPL za pośrednictwem fal długich. Inną metodą odbierania czasu z zegarów atomowych jest korzystanie z sieci GPS (Global Positioning System).

Sieć GPS i nawigacja satelitarna są w rzeczywistości dobrym tego przykładem synchonizacja zegara atomowego jest bardzo potrzebny przy tak wysokim poziomie dokładności. Nowoczesne zegary atomowe, takie jak te znajdujące się w satelitach NIST, NPL i wewnątrz orbitujących satelitów GPS, z dokładnością do jednej sekundy wynoszą około X milionów milionów lat. Ta dokładność ma kluczowe znaczenie przy badaniu działania systemu nawigacji satelitarnej GPS.

System GPS działa poprzez triangulację sygnałów czasu wysyłanych z trzech lub więcej oddzielnych satelitów GPS i ich wbudowanych zegarów atomowych. Ponieważ sygnały te poruszają się z prędkością światła (prawie 100,000km na sekundę), niedokładność nawet jednej pełnej milisekundy może spowodować, że informacje nawigacyjne wyniesie 100 kilometrów.

Ten wysoki poziom dokładności jest również wymagany w przypadku technologii, takich jak kontrola ruchu lotniczego, która zapewnia, że ​​nasze zatłoczone niebo pozostaje bezpieczne, a nawet ma kluczowe znaczenie dla wielu transakcji internetowych, takich jak handel instrumentami pochodnymi, w których wartość może rosnąć i spaść co sekundę.