परमाणु घड़ी कई किस्मों में आती है। कुछ चिप-आकार वाले इलेक्ट्रॉनिक्स हैं, जिन्हें सैन्य के लिए विकसित किया गया है, लेकिन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है, जबकि बड़ी और अधिक सटीक परमाणु घड़ियां जीपीएस उपग्रहों पर समय का ध्यान रखती हैं। लेकिन सभी परमाणु घड़ियां एक ही सिद्धांत पर काम करती हैं। शुद्ध परमाणु- कुछ घड़ियाँ सीज़ियम का उपयोग करती हैं, अन्य रुबिडियम जैसे तत्वों का उपयोग करती हैं - प्रत्येक परमाणु के बाहरी आवरण में एक निश्चित संख्या में वैलेंस इलेक्ट्रॉन या इलेक्ट्रॉन होते हैं। जब परमाणुओं को विद्युत चुम्बकीय विकिरण (प्रकाश या माइक्रोवेव की तरंगों की एक विशिष्ट आवृत्ति, उदाहरण के लिए) के साथ मारा जाता है, तो वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को दो ऊर्जा राज्यों के बीच संक्रमण करता है।
1960 के दशक में, वैज्ञानिकों ने आकाशीय पिंडों की कक्षाओं और घुमावों के आधार पर समय को मापने से दूर कर दिया और क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों के आधार पर इन घड़ियों का उपयोग करना शुरू कर दिया। यह समय को मापने के लिए एक अजीब तरीके की तरह लग सकता है, लेकिन विद्युत चुम्बकीय विकिरण की एक लहर में दोलनों की एक विशिष्ट संख्या की अवधि, या "टिक्स", आधिकारिक विधि है जिसके द्वारा वैज्ञानिक दूसरे को परिभाषित करते हैं। विशेष रूप से, एक दूसरा माइक्रोवेव लेजर के 9, 192, 631, 770 दोलनों की अवधि है जो सीज़ियम परमाणुओं को संक्रमण का कारण बनेगा।
लेकिन हमारे पास सीज़ियम को मापने वाले लोगों की तुलना में बेहतर परमाणु घड़ियां हैं।
नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (एनआईएसटी) के भौतिकशास्त्री विलियम मैकग्रे कहते हैं, "अगर ब्रह्मांड की शुरुआत में हमारी दो यॉटबेरियम घड़ियां शुरू हो गई थीं, तो इस समय वे एक-दूसरे से कम से कम एक-दूसरे से असहमत होंगे।" ), एक ईमेल में।
NIST की अल्ट्रा-स्टेबल येटबेरियम लैटिस परमाणु घड़ी। Ytterbium परमाणुओं को एक ओवन (बाईं ओर बड़े धातु सिलेंडर) में उत्पन्न किया जाता है और फोटो के केंद्र में एक निर्वात चैम्बर में भेजा जाता है जिसे चालाकी और लेज़रों द्वारा जांचा जाता है। लेजर लाइट को घड़ी में पांच तंतुओं (जैसे फोटो के निचले केंद्र में पीले फाइबर) द्वारा ले जाया जाता है। (जेम्स ब्यूरस / NIST) NIST, Yb-1 और Yb-2 में ytterbium घड़ियां, एक अद्वितीय प्रकार की परमाणु घड़ी हैं, जिन्हें ऑप्टिकल जाली घड़ी के रूप में जाना जाता है। अनिवार्य रूप से, घड़ियां हजारों आवृत्ति के इलेक्ट्रोमैग्नेटिक विकिरण का उपयोग ऑप्टिकल लेज़र या लेजर में करती हैं, जिससे हजारों ytterbium परमाणुओं को फंसाया जाता है और फिर उनके बाहरी इलेक्ट्रॉनों को एक जमीन ऊर्जा राज्य और एक उत्साहित ऊर्जा राज्य के बीच संक्रमण का कारण बनता है। सीज़ियम की तुलना में, विद्युत चुम्बकीय विकिरण की एक उच्च आवृत्ति के कारण संक्रमण के लिए ytterbium की आवश्यकता होती है।
सभी विद्युत चुम्बकीय तरंगें, रेडियो तरंगों से लेकर गामा किरणों और बीच में सभी दृश्यमान प्रकाश, एक ही प्रकार की तरंगें हैं जो फोटोन से बनी होती हैं- अंतर बस इतना है कि उच्च आवृत्तियों वाली तरंगें अधिक तेजी से दोलन करती हैं। माइक्रोवेव, जो कि सीज़ियम को परिवर्तित करने के लिए उपयोग किया जाता है, को दृश्य प्रकाश की तुलना में लंबी तरंग दैर्ध्य और कम आवृत्तियों में फैलाया जाता है। उच्च आवृत्तियों पर संक्रमण का उपयोग करना बेहतर घड़ी के निर्माण के लिए महत्वपूर्ण है। जबकि एक दूसरा वर्तमान में माइक्रोवेव के 9 बिलियन दोलनों के बारे में है, समय की इसी अवधि को दृश्य प्रकाश की एक लहर के 500 ट्रिलियन दोलनों के करीब से दर्शाया जाएगा, जिससे वैज्ञानिकों की समय को ठीक से मापने की क्षमता बढ़ जाएगी।
यदि एक ytterbium घड़ी पर माप लेजर को सही आवृत्ति में डायल किया जाता है, तो ytterbium परमाणु उत्साहित ऊर्जा अवस्था तक कूद जाएगा। यह तब होता है जब लेजर ठीक 518, 295, 836, 590, 863.6 हर्ट्ज की आवृत्ति पर होता है - एक सेकंड में "टिक्स" की संख्या।
"यह 578 नैनोमीटर के तरंग दैर्ध्य से मेल खाता है, जो आंख को पीला दिखाई देता है, " मैकग्रे कहते हैं।
NIST पर मैकग्रे की टीम की अगुवाई में Yb-1 और Yb-2 के साथ नए मापों ने माप परिशुद्धता के तीन प्रमुख क्षेत्रों में नए रिकॉर्ड हासिल किए हैं, कुछ मामलों में, उत्पादन, दूसरे में सबसे अच्छा मापन। विशेष रूप से, घड़ियों ने व्यवस्थित अनिश्चितता, स्थिरता और प्रजनन क्षमता के लिए नए रिकॉर्ड स्थापित किए। नया माप आज नेचर में प्रकाशित एक पेपर में विस्तृत है।
येटरबियम ऑप्टिकल घड़ियां इन पहलुओं में और भी सटीक हैं, जो कि एक सेकेंड की परिभाषा को निर्धारित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सीज़ियम फाउंटेन घड़ियों से अधिक सटीक हैं। Ytterbium घड़ियाँ तकनीकी रूप से सीज़ियम घड़ियों की तुलना में अधिक सटीक नहीं हैं, क्योंकि सटीकता विशेष रूप से आधिकारिक परिभाषा के करीब माप है, और परिभाषा पर आधारित सीज़ियम घड़ियों की तुलना में कुछ भी अधिक सटीक नहीं हो सकता है। फिर भी, यहां की प्रमुख मीट्रिक व्यवस्थित अनिश्चितता है- घड़ी की सही, अप्रतिष्ठित, प्राकृतिक रूप से ytterbium परमाणुओं के प्राकृतिक दोलन (सटीक आवृत्ति जो उन्हें संक्रमण का कारण बनाती है) को बारीकी से महसूस करती है, इसका एक माप है।
नए माप 10 18 में 1.4 भागों की त्रुटि के भीतर या एक बिलियन के लगभग एक अरबवें हिस्से में प्राकृतिक आवृत्ति से मेल खाते हैं। सीज़ियम घड़ियों ने केवल 10 16 में लगभग एक हिस्से की एक व्यवस्थित अनिश्चितता हासिल की है। सीज़ियम घड़ियों की तुलना में, एक नया भौतिक विज्ञानी और पेपर के सह-लेखक एंड्रयू लुडलो कहते हैं, "नई 100 मीटर बेहतर होगी।"
इस प्रकार के मापों के साथ चुनौती बाहरी कारकों से निपट रही है, जो कि ytterbium परमाणुओं की प्राकृतिक आवृत्ति को प्रभावित कर सकते हैं — और क्योंकि ये अब तक प्राप्त सबसे संवेदनशील मापों में से कुछ हैं, ब्रह्मांड का प्रत्येक भौतिक प्रभाव एक कारक है। "लगभग कुछ भी जो हम मनमाने ढंग से सोच सकते हैं अभी अंत में परमाणु के दोलन आवृत्ति पर कुछ प्रभाव पड़ता है, " लुडलो कहते हैं।
घड़ियों की प्राकृतिक आवृत्ति को स्थानांतरित करने वाले बाहरी प्रभावों में ब्लैकबॉडी विकिरण, गुरुत्वाकर्षण, विद्युत क्षेत्र और परमाणुओं की थोड़ी सी टक्कर शामिल हैं। "हम अपना बहुत सारा समय ध्यान से गुजारने की कोशिश में बिताते हैं और ... ठीक-ठीक उन सभी प्रभावों को समझते हैं जो घड़ी की टिक-टिक दर को गड़बड़ाने के लिए प्रासंगिक हैं - जो कि संक्रमण की आवृत्ति - और वास्तविक परमाणुओं पर उन लोगों के मापन और में जाकर उन्हें चिह्नित करने और हमें यह पता लगाने में मदद करें कि हम इन प्रभावों को वास्तव में कैसे नियंत्रित और माप सकते हैं। ”
इन प्राकृतिक भौतिक कारकों के प्रभावों को कम करने के लिए, कुछ खनिजों में स्वाभाविक रूप से पाए जाने वाले यर्टबेरियम परमाणु को पहले गैसीय अवस्था में गर्म किया जाता है। फिर लेजर कूलिंग का उपयोग डिग्री के कुछ हजारवें हिस्से में परमाणुओं के तापमान को सैकड़ों डिग्री केल्विन से कम करने के लिए किया जाता है, और फिर लगभग 10 माइक्रोकेल्विन के तापमान पर ठंडा किया जाता है, या निरपेक्ष शून्य से 10 डिग्री ऊपर। परमाणुओं को फिर एक निर्वात कक्ष और थर्मल परिरक्षण वातावरण में लोड किया जाता है। मापन लेजर को परमाणुओं के माध्यम से बीम किया जाता है और स्वयं पर वापस परिलक्षित होता है, जिससे "लेटिस" का निर्माण होता है जो परमाणुओं को प्रकाश की एक स्थायी तरंग की उच्च ऊर्जा वाले भागों में फंसाता है, बजाय एक लहर के लहर के, जैसे कि एक विशिष्ट लेजर सूचक।
माप की "स्थिरता" और "प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता" में सुधार, जो कि ytterbium घड़ियों के लिए नए रिकॉर्ड भी निर्धारित करता है, घड़ियों को प्रभावित करने वाले किसी भी बाहरी बलों के लिए आगे के खाते में मदद करता है। घड़ियों की स्थिरता अनिवार्य रूप से एक माप है कि समय के साथ आवृत्ति में कितना परिवर्तन होता है, जिसे एक दिन के दौरान 10 19 में 3.2 भागों में Yb-1 और Yb-2 के लिए मापा गया है। Reproducibility एक माप है कि दोनों घड़ियां एक दूसरे से कैसे मिलती हैं, और 10 तुलनाओं के माध्यम से Yb-1 और Yb-2 के बीच आवृत्ति अंतर एक बिलियन से कम है।
"यह दो घड़ियों के लिए महत्वपूर्ण है, " मैकग्रे कहते हैं। “अनिश्चितता को हर बदलाव की जांच करने की विशेषता है जो संक्रमण आवृत्ति को बदल सकती है। हालांकि, हमेशा 'अज्ञात अज्ञात', पारियों की संभावना होती है जो अभी तक समझ में नहीं आई हैं। दो सिस्टम होने से, यह देखकर अनिश्चितता के अपने लक्षण वर्णन की जाँच करना संभव है कि क्या दो स्वतंत्र सिस्टम एक दूसरे से सहमत हैं। ”
समय को मापने में ऐसी सटीकता का उपयोग पहले से ही वैज्ञानिकों द्वारा किया जाता है, लेकिन दूसरे के बेहतर माप के व्यावहारिक अनुप्रयोगों में नेविगेशन और संचार में प्रगति शामिल है। हालांकि उस समय कोई भी इसे नहीं जान सकता था, 20 वीं शताब्दी के मध्य में परमाणु घड़ियों के साथ प्रारंभिक कार्य अंततः ग्लोबल पोजिशनिंग सिस्टम और उस पर निर्भर रहने वाले हर उद्योग और प्रौद्योगिकी को सक्षम कर देगा।
"मुझे नहीं लगता कि मैं पूरी तरह से अनुमान लगा सकता हूं कि 20 या 50 वर्षों में कौन से अनुप्रयोग इससे सबसे अधिक लाभान्वित होंगे, लेकिन मैं कह सकता हूं कि जैसा कि मैं इतिहास में वापस देखता हूं, आज परमाणु घड़ियों के कुछ सबसे गहरा प्रभावों का अनुमान नहीं था, ”लुडलो कहता है।
NIST की एक ytterbium ऑप्टिकल जाली घड़ियों में से एक का पीला लेजर। (नैट फिलिप्स / एनआईएसटी) Ytterbium घड़ियों का उपयोग उन्नत भौतिकी अनुसंधान में भी किया जा सकता है, जैसे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र मॉडलिंग और अंधेरे पदार्थ या गुरुत्वाकर्षण तरंगों की संभावित पहचान। अनिवार्य रूप से, घड़ियां इतनी संवेदनशील होती हैं कि बदलती गुरुत्वाकर्षण या अन्य शारीरिक शक्तियों के कारण किसी भी हस्तक्षेप का पता लगाया जा सकता है। यदि आप दुनिया भर में कई ytterbium घड़ियों को तैनात करते हैं, तो आप गुरुत्वाकर्षण में मिनट परिवर्तन (जो समुद्र स्तर के साथ-साथ ध्रुवों के करीब मजबूत है) को माप सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को पृथ्वी की गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के आकार को पहले से अधिक सटीकता के साथ मापने की अनुमति मिलती है। पहले। इसी तरह, अंधेरे पदार्थ के कणों के साथ एक बातचीत, या यहां तक कि संभवतः दो तरंगों को प्रभावित करने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगें दूर तक फैलती हैं, पता लगाया जा सकता है।
“वैज्ञानिक रूप से, हम इस अद्भुत परिशुद्धता का उपयोग आज पहले से ही इन बुनियादी भौतिकी अध्ययनों में से कुछ के लिए करते हैं - अंधेरे पदार्थ की तलाश में, मौलिक स्थिरांक की भिन्नता की तलाश में, आइंस्टीन के कुछ सिद्धांतों और अन्य चीजों में उल्लंघन की तलाश में। ... अगर हम कभी भी इन अविश्वसनीय माप उपकरणों का उपयोग करके [भौतिकी के नियमों के उल्लंघन] की खोज करते हैं, जो ब्रह्मांड की हमारी समझ में एक बड़ा गेम चेंजर हो सकता है, और इसलिए विज्ञान और प्रौद्योगिकी वहां से कैसे विकसित होंगे। "
अगले 10 वर्षों में, यह संभव है कि दुनिया की माप विज्ञान संस्थाएं एक सीज़ियम घड़ी के बजाय एक ऑप्टिकल घड़ी के आधार पर दूसरे को फिर से परिभाषित करने का निर्णय लेंगी। इस तरह के पुनर्वितरण की संभावना अपरिहार्य है, क्योंकि ऑप्टिकल लेज़र माइक्रोवेव की तुलना में बहुत अधिक आवृत्तियों पर काम करते हैं, एक सेकंड में निहित घड़ी के "टिक्स" की संख्या में वृद्धि करते हैं। एक ytterbium घड़ी माप एक नई परिभाषा के लिए एक अच्छा उम्मीदवार होगा, लेकिन पारा और स्ट्रोंटियम का उपयोग करने वाले ऑप्टिकल जाली घड़ियों ने भी आशाजनक परिणाम उत्पन्न किए हैं, और आयन ऑप्टिकल घड़ियों, जो एक एकल परमाणु को निलंबित और संक्रमण करते हैं, एक नई परिभाषा के लिए एक और पेचीदा संभावना पेश करते हैं।
परमाणु परिघटनाओं के ये मापन अधिक से अधिक सटीक हो रहे हैं, और समय की हमारी विकसित समझ हमें कहां ले जाएगी, यह जानना असंभव है।
