Atomuret, nøjagtigt til 1 sekund pr. 300.000 år, bliver 62 i dag

Louis Essen & Jack Perry med det første atomur i 1955. Billedkilde: National Physical Laboratory

Måling af afstand, hastighed, endda noget så immaterielt som lyd, kan jeg slags vikle mit hoved rundt. Men tiden flyder på mystiske måder, som vores sind ofte har problemer med at forstå. Til tider flyver det, mens når vi ønsker det mindst, ser det ud til at stå stille. Så måling af det nøjagtigt forståeligt forbliver en af ​​de største fascinationer og ikke kun af sådanne filosofiske grunde, men også videnskabelige. Den mest nøjagtige af alle tidtagere, Atomic Clock, drejer 62 i dag, så lad os se tilbage på, hvordan det begyndte at tikke og summende væk den 3. juni 1955.

Et skematisk billede af det første Cesium-atomur. Billedkilde: National Physical Laboratory

Den tidlige begyndelse

For tusinder af år siden begyndte det hele med de mest enkle observationer, som gentagelse af dage og nætter eller periodisk rækkefølge af sæsoner - let nok til at holde styr på. Alt andet, som uger, måneder eller timer og sekunder, var meget mere udfordrende at kvantificere nøjagtigt. Jeg arbejder på en artikel, der vil drøfte historien om tid og tidtagning fra en urentusiastens perspektiv, så lad os nu springe over de få tusinde ord (og år) og komme til, hvordan atomisk tidbestemmelse blev.

Salvador Dalí: Persistensen af ​​hukommelse. Billedkilde: Museum for moderne kunst

Tid er pr. Definition den ubestemte, fortsatte fremgang med eksistensen og begivenheder, der opstår i tilsyneladende irreversibel rækkefølge fra fortiden gennem nutiden til fremtiden. En operationel definition af tid kommer fra at observere et vist antal gentagelser af en standard cyklisk begivenhed (som passagen af ​​en frit svingende pendul), som igen udgør en standardenhed. Med andre ord, for at måle tid, er vi nødt til at opdele den i lige lange og gentagne begivenheder og derefter tælle de nævnte begivenheder.

Isidor Isaac Rabi

Et sekund, der tidligere blev defineret som 1 / 86.400 af den gennemsnitlige soldag, men uregelmæssigheder i jordens rotation gør denne måling af tiden meget upræcis. Jo mere nøjagtige tid vi ønsker at holde, jo mindre og mere konsekvent gentagne segmenter er vi nødt til at opdele det i.

Ideen om at bruge atomovergange til at måle tid blev foreslået af Lord Kelvin i 1879, men fra idé til realisering var det stadig en meget lang vej at gå. Som vi vil se, vil magneter og magnetisme også spille en rolle, så vi vil her nævne, at det var Isidor Rabi, der videreudviklede teorien bag magnetisk resonans, som først antydede i 1945, at atomstrålens magnetiske resonans kunne bruges som grundlaget for et ur.

Reklame

Ammoniak Master Atomic Clock. Billedkilde: NIST

Det første nogensinde atomur blev kort efter, da US National Bureau of Standards (NBS, nu NIST) byggede en ammoniakmaskineenhed i 1949. Sjovt nok - men måske ikke overraskende - var det mindre nøjagtigt end eksisterende kvartsur og var skabt mere som en demonstration af konceptet.

Det første atomur, der vises på Science Museum, London

Det første praktiske atomur af Louis Essen & Jack Perry

Den britiske fysiker Louis Essen vandt sin ph.d. og doktor i videnskab fra University of London, før han blev interesseret i at finde måder at flytte tid til at fjerne tid fra traditionelle definitioner udtrykt i perioden med jordens rotation.

Fascineret af muligheden for at bruge hyppigheden af ​​atomspektre til at forbedre tidsmåling, lærte han, at muligheden for at måle tid ved hjælp af cæsium som en atomreference allerede var blevet demonstreret af NBS. I 1955, i samarbejde med Jack Parry, udviklede han det første praktiske atomur ved at integrere den cæsiumatomiske standard med konventionelle kvartskrystalloscillatorer for at muliggøre kalibrering af eksisterende tidsbestemmelse.

1, 3 kg Cesium-133 forseglet i en glasbeholder. Via: reddit.com

Ved at bruge mikrobølger til at excitere elektroner inden i atomer af cæsium fra et energiniveau til et andet, var Essen i stand til at stabilisere mikrobølgerne på en præcis og reproducerbar frekvens. Meget som svingning af en pendul, Essens prototyp atomur stole på denne frekvens for at holde styr på tidens gang.