Fysikverdenen fik sig til en smule tizz i denne måned, da forskere fra CERN, Det Europæiske Laboratorium for Partikelfysik, fandt en anomali på et af deres eksperimenter, som syntes at vise, at nogle partikler rejste hurtigere end lys.

Tidsserveren kan levere nøjagtigheden af ​​atomuret

Hurtigere end lysrejse for nogen partikel er naturligvis forbudt ifølge Einsteins særlige relativitetsteori, men OPERA-holdet hos CERN, der fyrede neutrinoer omkring en partikelaccelerator, der kørte for 730 km, fandt ud af, at neutrinerne rejste afstanden 20 dele pr. millioner hurtigere end fotoner (lette partikler), der betyder, at de ødelagde Einsteins hastighedsgrænse.

Selvom dette eksperiment kan vise sig at være en af ​​de vigtigste opdagelser i fysikken, er fysikere tilbage skeptiske, hvilket tyder på, at en årsag kan være en fejl, der genereres i vanskelighederne og kompleksiteterne ved måling af sådanne høje hastigheder og afstande.

Holdet på CERN brugte GPS tid servere, bærbare atomure og GPS positioneringssystemer til at foretage deres beregninger, som alle leverede nøjagtighed i afstand til inden for 20cm og en nøjagtighed af tid til inden for 10 nanosekunder. Imidlertid er anlægget underjordisk, og GPS-signalerne og andre datastrømme måtte være kablet ned til eksperimentet, en forsinkelse, som holdet er overbevist om, de tog hensyn til under deres beregninger.

Fysikere fra andre organisationer forsøger nu at gentage eksperimenterne for at se, om de får de samme resultater. Uanset udfaldet er denne type banebrydende forskning kun mulig takket være nøjagtigheden af ​​atomurerne, der er i stand til at måle tiden til milliontedele af et sekund.

For at synkronisere et computernetværk til et atomur behøver du ikke have adgang til et fysiklaboratorium som CERN som simpelt NTP tid servere som galleoner NTS 6001 vil modtage en nøjagtig kilde til atomur tid og holde al hardware på et netværk til inden for et par millisekunder af det.

De fleste af os tror vi ved, hvad tiden er. Kort over vores armbåndsure eller vægure, vi kan se, hvilken tid det er. Vi synes også, at vi har en god ide om, hvor hurtigt tiden går fremad, et sekund, et minut, en time eller en dag er ret veldefinerede; Men disse tidsenheder er helt menneskeskabte og er ikke så konstante, som vi måske tror.

Tiden er et abstrakt koncept, mens vi måske tror det er det samme for alle, er tiden påvirket af samspillet med universet. Gravity, for eksempel, som Einstein observerede, har evnen til at slå sig rum-tid ændre den hastighed, hvor tiden går, og mens vi alle lever på den samme planet, under de samme tyngdekraft, der er små forskelle i den hastighed, hvor tiden går.

Ved hjælp af atomure kan forskere konstatere den effekt, Jordens tyngdekraft har til tiden. Højt over havets overflade er et atomur placeret, jo hurtigere går det. Mens disse forskelle er små, viser disse eksperimenter tydeligt, at Einsteins postuleringer var korrekte.

Atomiske ure er blevet brugt til at demonstrere nogle af Einsteins andre teorier om tid også. Einstein argumenterede i sine relativitetsteorier om, at hastighed er en anden faktor, der påvirker hastigheden, hvornår tiden går. Ved at placere atomur på omkreds med rumfartøjer eller fly, der bevæger sig i hastighed, adskiller den tid, der måles af disse ure, klokkerne, der er venstre statiske på jorden, en anden indikation for, at Einstein havde ret.

Før atomure, måling tid til sådanne grader af nøjagtighed var umuligt, men da deres opfindelse i 1950 s, ikke kun har Einsteins postulater viste sig ret, men også vi har opdaget nogle andre usædvanlige aspekter til, hvordan vi opfatter tid.

Mens de fleste af os tænker på en dag som 24-timer, hvor hver dag har samme længde, har atomurerne vist, at hver dag varierer. Desuden, atomure har også vist, at jordens rotation gradvist sænkes, hvilket betyder, at dagene bliver langsomt længere.

På grund af disse ændringer i tid er verdens globale tidsplan, UTC (Coordinated Universal Time), lejlighedsvise tilpasninger. Hvert halve år eller så tilføjes spring sekunder til at sikre UTC kører i samme takt som en jorddag, der regner med den gradvise afmatning af planetens spin.

For teknologier, der kræver høj nøjagtighed, regnes disse regelmæssige tidsjusteringer af protokollen NTP (Network Time Protocol), så et computernetværk ved hjælp af en NTP tidsserver er altid holdt tro mod UTC.

Atomuret er ikke en ny opfindelse. Udviklet i 1950'erne har den traditionelle cesiumbaserede atomur givet os præcis tid i et halvt århundrede.

Det cæsium atomur er blevet grunden til vores tid - bogstaveligt talt. Det International System of Units (SI) definerer et sekund som et bestemt antal oscillationer af atomet cæsium og atomklokker styrer mange af de teknologier, som vi lever med en daglig brug: Internettet, satellitnavigering, flyvekontrol og trafiklys for at nævne nogle få.

Men den seneste udvikling i optiske kvanteklover, der anvender enkeltatomer af metaller som aluminium eller strontium, er tusindvis af gange mere præcise end traditionelle atomur. For at sætte dette i perspektiv er det bedste cæsium atomur, som bruges af institutter som NIST (National Institute for Standards and Time) eller NPL (National Physical Laboratory) til at styre verdens globale tidsskala UTC (Koordineret Universal Time), er nøjagtig inden for et sekund hver 100 million år. Imidlertid er disse nye kvanteoptiske ure nøjagtige til et sekund hvert 3.4 milliard år - næsten så længe jorden er gammel.

For de fleste er deres eneste møde med et atomur modtaget sin tidssignal er a netværkstidsserver or NTP-enhed (Network Time Protocol) med henblik på synkronisering af enheder og netværk, og disse atomkloksignaler genereres ved hjælp af cæsiumklokker.

Og indtil verdens videnskabsmænd kan blive enige om et enkelt atom til at erstatte cæsium og et enkelt ur design for at holde UTC, vil ingen af ​​os kunne udnytte denne utrolige nøjagtighed.

Atomiske ure er de mest præcise chronometre vi har. De er millioner gange mere præcise end digitale ure og kan holde tid i hundredvis af millioner af år uden at tabe så meget som et sekund. Deres brug har revolutioneret den måde, vi lever og arbejder på, og de har aktiveret teknologier som satellitnavigationssystemer og global online-handel.

Men hvordan fungerer de? Mærkeligt nok arbejder atomkloder på samme måde som almindelige mekaniske ure. Men i stedet for at have en spiralfjeder og masse eller pendul bruger de oscillationer af atomer. Atomcykler er ikke radioaktive, da de ikke er afhængige af atomaffald i stedet for de små vibrationer på bestemte energiniveauer (oscillationer) mellem kernen i et atom og de omgivende elektroner.

Når atomet modtager mikrobølgeenergi ved præcis den rigtige frekvens, ændrer den energitilstanden, denne tilstand er konstant en uændret, og oscillationerne kan måles ligesom tæringerne af et mekanisk ur. Men mens mekaniske ure krydser hvert sekund, atomure 'kryds' flere milliarder gange om et sekund. I tilfælde af cæsiumatomer, der oftest anvendes i atomur, tærer de 9,192,631,770 per sekund - som nu er den officielle definition af et sekund.

Atomiske ure styrer nu hele det globale samfund som en universel tidsplan UTC (Koordineret Universal Time) baseret på atomur tid er blevet udviklet for at sikre synkronisering. UTC atomklok signaler kan modtages af netværks tidsservere, ofte omtalt som NTP-servere, der kan synkronisere computernetværk inden for et par millisekunder af UTC.

Fra armbåndsure til atomure og NTP-tidsservere, forståelsen af ​​tid er blevet afgørende for mange moderne teknologier som satellitnavigation og global kommunikation.

Fra tidens udvidelse til virkningerne af tyngdekraften til tiden har tiden mange mærkelige og vidunderlige facetter, som forskere kun begynder at forstå og udnytte. Her er nogle interessante, mærkelige og usædvanlige fakta om tid:

• Tiden er ikke adskilt fra rummet, men tiden præciserer, hvad Einstein kaldte fire dimensional rumtid. Rumtiden kan forvrænges af tyngdekraft, hvilket betyder, at tiden sænker jo større gravitationspåvirkningen. Tak til atomure, kan tiden på jorden måles ved hver efterfølgende tomme over jordens overflade. Det betyder, at hver krops fødder er yngre end deres hoved, da tiden går langsommere, jo lavere til jorden får du.

• Tid er også påvirket af hastigheden. Den eneste konstant i universet er lysets hastighed (i et vakuum), som altid er det samme. På grund af Einsteins berømte relativitetsteorier, som alle rejser tæt på lysets hastighed, ville en rejse til en observatør, der ville have taget tusindvis af år, være gået inden for få sekunder. Dette kaldes tidsudvidelse.

• Der er intet i nutidens fysik, der forbyder tidsrejse både frem og tilbage i tiden.

• Der er 86400 sekunder om dagen, 600,000 om ugen, mere end 2.6 millioner om en måned og mere end 31 millioner om året. Hvis du bor for at være 70 år, så har du levet igennem mere end 5.5 milliarder sekunder.

• En nanosekund er en milliardedel af et sekund eller omtrent den tid det tager at tage lys om 1-fod (30 cm).

• En dag er aldrig 24 timer lang. Jordens rotation går gradvist frem, hvilket betyder, at den globale tidsskala UTC (koordineret universeltid) skal have spring sekunder tilført en eller to gange om året. Disse spring sekunder indregnes automatisk i enhver ursynkronisering, der bruger NTP (Network Time Protocol) såsom a Dedikeret NTP-tidsserver.

Efter succesen af ​​danske forskere, der arbejder sammen med NIST (National Institute for Standards and Time), som afslørede verdens mest præcise atomur tidligere i år; Tysk videnskabsmand er kommet ind i løbet for at opbygge verdens mest præcise timepiece.

Forskere ved Fysikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Tyskland bruger nye metoder til spektroskopi til at undersøge atom- og molekylære systemer og håber at udvikle et ur baseret på et enkelt aluminiumatom.

bro atomure bruges til satellitnavigering (GPS) som referencer til computernetværk NTP-servere og flyvekontrol har traditionelt været baseret på atom cæsium. Den næste generation af atomklukker, som den, der blev afsløret af NIST, der hævdes at være nøjagtige til inden for et sekund hvert 300 million år, bruger imidlertid atomerne fra andre materialer, såsom strontium, som forskere hævder, kan være potentielt mere præcise end cæsium .

Forskere ved PTB har valgt at bruge enkelte aluminiumatomer og tror på, at de er på vej til at udvikle det mest præcise ur nogensinde, og tror, ​​at der er stort potentiale for en sådan enhed til at hjælpe os med at forstå nogle af de mere komplicerede aspekter af fysikken.

Den nuværende afgrøde af atomur gør det muligt for teknologier som satellitnavigering, flyvekontrol og netværkssynkronisering ved hjælp af NTP-servere men det antages, at nøjagtigheden af ​​næste generation af atomure kan bruges til at afsløre nogle af de mere gådefulde kvaliteter af kvantvidenskab, såsom strengteori.

Forskere hævder, at de nye ure vil give en sådan nøjagtighed, at de selv vil kunne måle minutforskelle i tyngdekraften til inden for hver centimeter over havets overflade.

Kernevåben, computere, GPS, atomure og carbon dating - der er meget mere atomer end du tror.

Siden begyndelsen af ​​det tyvende århundrede har menneskeheden været besat af atomer og minutier i vores univers. Meget af første del af det sidste århundrede blev menneskeheden besat med at udnytte atomets skjulte kraft, afsløret for os af Albert Einsteins arbejde og færdiggjort af Robert Oppenheimer.

Der har imidlertid været meget mere til vores udforskning af atomen end blot våben. Undersøgelsen af ​​atomerne (kvantemekanik) har været kernen i de fleste af vores moderne teknologier som computere og internettet. Det er også i forkanten af ​​kronologi - måling af tid.

Atomet spiller en nøglerolle i både timekeeping og tidsprognose. Atomuret, som anvendes over hele verden ved brug af computernetværk NTP-servere og andre tekniske systemer som flyvekontrol og satellitnavigation.

Atomiske ure arbejde ved at overvåge de ekstremt høje frekvensoscillationer af individuelle atomer (traditionelt cæsium), der aldrig ændres ved bestemte energitilstande. Da cæsiumatomer resonerer over en 9 milliarder gange hvert sekund og aldrig ændrer det sin frekvens gør det m meget præcist (taber mindre end et sekund hver 100 millioner år)

Men atomer kan også bruges til at træne ud, ikke bare præcis og præcis tid, men de kan også bruges til at fastslå objekternes alder. Carbon dating er navnet på denne metode, der måler det naturlige henfald af carbonatomer. Alle os er primært lavet af kulstof og ligesom andre elementer carbon "henfald" over tid, hvor atomerne mister energi ved at udstråle ioniserende partikler og stråling.

I nogle atomer som uran sker dette meget hurtigt, men andre atomer som jern er meget stabile og forfalder meget, meget langsomt. Carbon, mens det falder hurtigere end jern, er stadig langsomt til at tabe energi, men energitabet er nøjagtigt over tid, så ved at analysere carbonatomer og måle deres styrke, kan det helt nøjagtigt bestemmes, når carbonet oprindeligt dannede sig.

Atomsklokker har haft en stor indflydelse på vores moderne liv med mange af de teknologier, der har revolutioneret den måde, vi lever vores liv på, afhænger af deres ultimative præcise tidsbevarende evner.

Atomiske ure er langt anderledes end andre kronometre; et normalt ur eller ur vil holde tiden ret præcist, men vil miste andet eller to hver dag. Et atomur på den anden side vil ikke tabe et sekund i millioner af år.

Faktisk er det rimeligt at sige, at et atomur ikke måler tid, men er det fundament, vi baserer vores perceptioner af tid på. Lad mig forklare, at tiden, som Einstein demonstrerede, er relativ, og den eneste konstant i universet er lysets hastighed (selvom et vakuum).

Målingstid med nogen reel præcision er derfor svært, da selv tyngdekraften på jorden skævner tiden, sænker den ned. Det er også næsten umuligt at basere tid på ethvert referencepunkt. Historisk har vi altid brugt jordens revolution og henvisning til de himmellegemer som grundlag for vores tidsfortælling (24 timer om dagen = en revolution på jorden, 365 dage = en revolution om jorden rundt om solen osv.).

Desværre er Jordens rotation ikke en præcis referenceramme for at basere vores tid på at fortsætte. Jorden sænker og fremskynder i sin revolution, hvilket betyder, at nogle dage er længere end andre.

Atomiske ure Anvendte imidlertid resonansen af ​​atomer (normalt cæsium) ved bestemte energitilstande. Da disse atomer vibrerer ved nøjagtige frekvenser (eller et eksakt antal gange), kan dette bruges som grundlag for at fortælle tid. Så efter udviklingen af ​​atomuret er det andet blevet defineret som over 9 milliarder resonans 'flåter' af cæsiumatomet.

Den atomklokke ultrakompakte natur er grundlaget for teknologier som satellitnavigering (GPS), flyvekontrol og internethandel. Det er muligt at bruge atomklokkenes præcise natur til at synkronisere computernetværk også. Alt der behøves er a NTP tidsserver (Network Time Protocol).
NTP-servere modtage tiden fra atomur via et udsendelsessignal eller GPS-netværket, hvorefter de distribueres mellem et netværk, der sikrer, at alle enheder har nøjagtig samme, ultra præcise tid.

De kronologiske pionerer på NIST har gået sammen med University of Colorado og har udviklet verdens mest præcise atomur til dato. Strontiumbaseret ur er næsten dobbelt så præcist som det nuværende cæsiumklokke bruges til at styre UTC (Koordineret Universal Time), da det taber kun et sekund hver 300 million år.

Strontium baseret atomure ses nu som vejen frem i timekeeping, da højere niveauer af nøjagtighed er opnåelige, som bare ikke er mulige med cæsiumatomet. Strontiumklokker, ligesom deres forgængere, arbejder ved at udnytte den naturlige, men meget konsistente vibration af atomer.

Men disse nye generationer af ure bruger laserstråler og ekstremt lave temperaturer tæt på absolut nul for at styre atomerne, og det er håbet, at det er et skridt fremad for at skabe et perfekt præcist ur.

Denne ekstreme nøjagtighed kan virke et skridt for langt og unødvendigt, men anvendelserne til sådan præcision er mange gange, og når man overvejer de teknologier, der er udviklet, der er baseret på den første generation af atomur som GPS-navigation, NTP-server synkronisering og digital udsendelse en ny verden af ​​spændende teknologi baseret på disse nye ure kunne bare være rundt om hjørnet.

Mens for tiden verdens globale tidsplan, UTC, er baseret på den tid, der er fortalt af en konstellation af cæsiumklokker (og i øvrigt er det også definitionen af ​​et sekund som lige over 9 mia. Cæsium ticks), menes, at når det rådgivende udvalg for Tid og Frekvens hos Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) næste møder vil det diskutere om at gøre denne næste generation af atomure den nye standard.

Strontiumklokker er imidlertid ikke den eneste metode til meget præcis tid. Sidste år udviklede et kvadratur også ved NIST styret nøjagtighed af 1 sekund i 1 milliarder år. Denne type ur kan imidlertid ikke overvåges direkte og kræver en mere kompleks ordning til overvågning af tiden.

De fleste har vagt hørt om atomur og formoder, at de ved, hvad man er, men meget få mennesker ved lige, hvor vigtige atomklokker er til styring af vores daglige liv i det 21. århundrede.

Der er så mange teknologier, der er afhængige af atomur og uden mange af de opgaver, vi tager for givet, ville det være umuligt. Luftfartskontrol, satellitnavigering og internethandel er blot nogle få af de applikationer, der er afhængige af den ultimative præcise chronometri for et atomur.

Præcis hvad en atomur er ofte misforstået. Simpelthen er et atomur en enhed, der anvender oscillationer af atomer ved forskellige energitilstande til at tælle flåter mellem sekunder. For øjeblikket er cæsium det foretrukne atom, fordi det har over 9 milliarder ticks hvert sekund, og fordi disse svingninger aldrig ændrer det, gør dem til en meget præcis metode til at holde tid.

Atomiske ure på trods af, hvad mange hævder, er kun nogensinde fundet i storskala fysiklaboratorier som NPL (UK National Physical Laboratory) og NIST (US National Institute of Standards and Time). Ofte tyder folk på, at de har et atomur, der styrer deres computernetværk, eller at de har et atomur på deres væg. Dette er ikke sandt, og hvad folk henviser til, er at de har en ur- eller tidsserver, der modtager tiden fra et atomur.

Enheder som NTP tidsserver Modtager ofte atomkloksignaler fra steder som NIST eller NPL via langbølge-radio. En anden metode til at modtage tid fra atomur er at bruge GPS-netværket (Global Positioning System).

GPS-netværket og satellitnavigation er faktisk et godt eksempel på hvorfor atomur synkronisering er meget nødvendig med en så høj grad af nøjagtighed. Moderne atomure som dem, der findes ved NIST, NPL og inden for kredsløb af GPS-satellitter, er nøjagtige til inden for et sekund hver 100 millioner år eller deromkring. Denne nøjagtighed er afgørende, når du undersøger, hvordan noget som en bil GPS satellitnavigationssystem virker.

Et GPS-system virker ved at triangulere de tidssignaler, der sendes fra tre eller flere separate GPS-satellitter og deres atomkvarter ombord. Fordi disse signaler rejser ved lysets hastighed (næsten 100,000KM et sekund) kan en unøjagtighed på endnu en hel millisekund sætte navigationsoplysningerne ud med 100 kilometer.

Dette høje niveau af nøjagtighed er også påkrævet for teknologier som flyvekontrol, der sikrer, at vores overfyldte himmel forbliver trygge og er endog kritisk for mange internettransaktioner som handel med derivater, hvor værdien kan stige og falde hvert sekund.