초정밀 원자시계는 물리학의 한계를 재정의합니다

완벽함을 향한 인류의 끊임없는 탐구 속에서 과학자들은 이전에 만들어진 어떤 것보다 더 정확하고 정확한 원자시계를 개발했습니다. 새로운 시계는 국립표준기술연구소(NIST)와 콜로라도 볼더 대학의 합작 투자인 JILA의 연구원들이 제작했습니다.

광활한 우주 속에서 정밀한 항해는 물론 새로운 분자 탐색까지 가능하게 해주는 이 시계는 단순한 시간 측정을 뛰어넘는 최신형 시계입니다. 정확도가 향상된 이 차세대 시계는 숨겨진 지하 광물 매장지를 찾아내고 일반 상대성 이론과 같은 기본 이론을 전례 없는 정밀도로 테스트할 수 있습니다. 원자시계 엔지니어에게 있어 이는 단지 더 나은 시계를 만드는 것이 아닙니다. 이는 또한 우주의 비밀을 밝히고 다음 세대를 위해 우리 세계를 형성할 기술의 길을 닦는 것이기도 합니다.

전 세계 과학계는 이렇게 생각합니다. 두 번째를 재정의하다, 차세대 광학 원자 시계를 기반으로 한 국제 시간 단위입니다. 현재 세대의 원자시계는 원자에 마이크로파를 비추어 초를 측정합니다. 이 새로운 시계 파동은 초를 더 정확하게 계산하기 위해 훨씬 더 높은 주파수의 가시 광선 파동으로 원자를 비춥니다. 오늘날의 마이크로파 시계와 비교하여 광학 시계는 국제 시간 측정에 훨씬 더 높은 정확도를 제공할 것으로 예상됩니다. 이는 잠재적으로 300억년마다 1초만 손실될 수 있습니다.

그러나 이러한 원자시계가 그렇게 높은 정확도로 작동하려면 극도로 정확해야 합니다. 즉, 매우 작은 1초도 측정할 수 있어야 합니다. 높은 정밀도와 높은 정밀도를 동시에 달성하는 것은 광범위한 의미를 가질 수 있습니다.

시간에 갇혀

새로운 JILA 시계는 “광학 격자”로 알려진 빛의 격자를 사용하여 수만 개의 개별 원자를 동시에 포착하고 측정합니다. 이렇게 큰 배열을 사용하면 정확성이 크게 향상됩니다. 더 많은 원자를 측정할수록 시계가 정확한 두 번째 측정값을 생성하기 위해 더 많은 데이터를 가져야 합니다.

새로운 기록 성능을 달성하기 위해 Gila 연구원은 이전 광학 메시 시계에 비해 원자를 가두기 위해 더 얕고 부드러운 레이저 광 “메시”를 사용했습니다. 이를 통해 오류의 두 가지 주요 원인, 즉 레이저 광을 가두는 원자로 인해 발생하는 효과와 원자가 과도하게 채워질 때 서로 충돌하는 효과가 크게 감소했습니다.

연구자들은 실제 검토 편지에서 진행 상황을 설명합니다.

가장 작은 규모의 상대성 측정

국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)와 길라 연구소(Gila Institute)의 물리학자인 준 이(Jun Yi)는 “이 시계는 매우 정확하여 일반 상대성이론과 같은 이론이 예측한 작은 효과를 미세한 수준에서도 감지할 수 있습니다. 시간 측정 분야에서 가능한 것의 경계.”

일반상대성이론 아인슈타인의 이론은 공간과 시간의 왜곡으로 인해 중력이 어떻게 발생하는지 설명합니다. 일반상대성이론의 가장 중요한 예측 중 하나는 시간 자체가 중력의 영향을 받는다는 것입니다. 중력장이 강할수록 시간은 더 느리게 흐릅니다.

이 새로운 시계 디자인은 사람의 머리카락 굵기에 해당하는 밀리미터 미만 단위로 시간 측정에 대한 상대적인 영향을 감지할 수 있습니다. 시계를 이 작은 거리만큼 올리거나 내리는 것만으로도 연구자들은 중력의 영향으로 인한 시간 흐름의 미세한 변화를 식별하기에 충분합니다.

미시적 수준에서 일반 상대성 이론의 효과를 관찰할 수 있는 능력은 미시적 양자 세계와 일반 상대성 이론으로 설명되는 대규모 현상 사이의 격차를 메울 수 있습니다.

우주 항해와 양자 진보

더욱 정확한 원자시계는 더욱 정확한 우주 탐색과 탐사를 가능하게 합니다. 인간이 태양계 속으로 더 깊이 들어가면서 시계는 먼 거리에서도 정확한 시간을 유지해야 합니다. 시간 기록의 사소한 오류라도 여행 거리가 멀수록 극적으로 증가하는 탐색 오류로 이어질 수 있습니다.

“극도의 정밀도로 화성에 우주선을 착륙시키려면 현재 GPS에 있는 시계보다 더 정확한 시계가 필요합니다.”라고 Yi가 말했습니다. “이 새로운 시계는 이를 가능하게 하는 큰 진전입니다.”

원자를 포획하고 제어하는 ​​데 사용되는 동일한 방법은 양자 컴퓨팅의 획기적인 발전으로 이어질 수도 있습니다. 양자 컴퓨터는 계산을 수행하기 위해 개별 원자나 분자의 내부 특성을 정밀하게 조작하는 능력이 필요합니다. 미세한 양자 시스템을 제어하고 측정하는 기술의 발전으로 이러한 노력이 크게 발전했습니다.

양자역학과 일반상대성이론이 교차하는 현미경의 세계를 탐험함으로써 연구자들은 현실 자체의 근본적인 본질에 대한 새로운 차원의 이해를 향한 문을 열고 있습니다. 시간의 흐름이 중력에 의해 왜곡되는 무한히 작은 규모부터 암흑 물질과 암흑 에너지가 지배하는 광활한 우주의 경계까지, 이 시계의 절묘한 정밀도는 우주의 가장 깊은 미스터리 중 일부를 밝힐 것을 약속합니다.

Ye는 “우리는 계측학의 미개척지를 탐구하고 있습니다”라고 말했습니다. “이러한 수준의 정밀도로 사물을 측정할 수 있으면 지금까지 이론으로만 설명할 수 있었던 현상이 보이기 시작합니다.”

논문: Alexander Epley, 김경태, William Warfield, Marianna S. 사프로노바와 준이. 8 x 10의 시계^-19 방법론적 불확실성. Physical Review Letters의 출판이 승인되었습니다. 사전 인쇄본은 arxiv.org에서 구할 수 있습니다.